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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Prüfen
von Turboladern gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 5.
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Bei der Erfindung geht es darum,
Abgasturbolader im sogenannten Kalttest zu prüfen. Dazu ist es bereits bekannt,
die Turbine des Abgasturboladers nicht mit heißer Verbrennungsluft eines
Verbrennungsmotors zu betreiben, sondern mit Umgebungstemperatur
aufweisender Druckluft. Bei bekannten Kalttests von Abgasturboladern
wird dazu die Turbine mit Druckluft angetrieben, und zwar mit geringer
Drehzahl außerhalb
des Turbokennfelds. Der Verdichter läuft dabei leer, erzeugt also
auf der Druckseite keine verdichtete Luft. Bei diesem bekannten
Kalttest ist der Abgasturbolader nicht unter Last zu prüfen. Es
kann dadurch praktisch nur eine mechanische Laufprüfung stattfinden.
Da beim bekannten Kalttest der Abgasturbolader nicht im Turbokennfeld
betrieben werden kann, lassen sich seine Leistungsfähigkeit
und Betriebscharakteristik nicht ermitteln. Das ist vor allem dann
nachteilig, wenn, wie bei V-Verbrennungsmotoren mit mehreren Abgasturbladern üblich, jeder
Zylinderbank ein Abgasturbolader zugeordnet ist, der Verbrennungsmotor
also über zwei
Abgasturbolader verfügt.
Die beiden Abgasturbolader sollen möglichst synchron betrieben
werden können.
Selbst bei prinzipiell gleichen Abgasturboladern unterscheiden sich
ihre Wirkungsgrade und Betriebscharakteristika aufgrund verschiedener
Einflüsse,
insbesondere Toleranzen. Die unterschiedlichen Betriebscharakteristiken
an sich gleicher Abgasturbolader lassen einen Synchronlauf nicht
zu. Deswegen ist man bestrebt, für
einen Verbrennungsmotor mit mehreren Abgasturboladern solche Abgasturbolader
auszuwählen,
die über
nahezu die gleichen Charakteristika verfügen. Dazu muss sich im Kalttest das
Betriebsverhalten jedes Abgasturboladers sich prüfen lassen, was bekannte Kalttests
der eingangs beschriebenen Art nicht zulassen.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Prüfen von Abgasturboladern zu
schaffen, womit im Kalttest auch Messgrößen belasteter Abgasturbolader
erfassbar sind.
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Ein Verfahren zur Lösung dieser
Aufgabe weist die Maßnahmen
des Anspruchs 1 auf. Dadurch, dass der Druck der Luft zum Antrieb
der Turbine des oder jedes Abgasturboladers mindestens teilweise
von einem schleppend angetriebenen Verbrennungsmotor erzeugt wird,
kann der Kalttest des Abgasturboladers realitätsnah, insbesondere im Turbokennfeld,
simuliert werden. insbesondere ist es so möglich, Messgrößen, die
am schleppend angetriebenen Abgasturbolader ermittelt worden sind,
mit entsprechenden, vorzugsweise zeitgleich ermittelten Messgrößen des
ebenfalls kalt betriebenen, geschleppten Verbrennungsmotors zu vergleichen.
Das gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
des Verfahrens derjenige Verbrennungsmotor schleppend angetrieben
wird, mit dem der Abgasturbolader oder auch mehrere Abgasturbolader
bei sogenannten Bi-Turbomotoren im späteren Betrieb zusammenarbeiten.
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Der Kalttest des Abgasturboladers
(oder bei Bi-Turbomotoren) beider Abgasturbolader kann erfolgen
mit unter Druck stehender Luft, die allein vom schleppend angetriebenen
Verbrennungsmotor erzeugt wird. Es ist aber auch denkbar, dem Ansaugtrakt
des schleppend angetriebenen Verbrennungsmotors bereits unter einem
gewissen Druck stehende Luft zuzuführen, deren Druck im angetriebenen
Verbrennungsmotor erhöht wird,
so dass zum Kalttest des jeweiligen Abgasturboladers kalte Luft
mit einem verhältnismäßig hohen
Druck zur Verfügung
steht. Mit beiden alternativen Betriebsweisen lässt sich der Kalttest des jeweiligen
Abgasturboladers vorteilhafter durchführen als das bei bekannten
Kalttests möglich war.
Insbesondere im Falle der Zufuhr von unter Druck stehender Luft
zum Verbrennungsmotor kann der jeweilige Abgasturbolader mit unter
einem verhältnismäßig hohen
Druck stehender Luft (Druckluft) getestet werden, wodurch der Kalttest
relativ praxisnah durchführbar
ist, und zwar mit Turbinendrehzahlen des jeweils zu testenden Abgasturboladers
von bis zu 100.000 U/min.
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Ein weiteres Verfahrens zur Lösung der
eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 5 auf.
Dadurch, dass auf der Druckseite des Verdichters die Luft gedrosselt
wird, entsteht auf der Druckseite ein Luftstau, der zu einer Druckerhöhung der
Luft führt.
Die Folge ist, dass der Abgasturbolader am Kalttest unter Last läuft, weil
die Turbine arbeitet, nämlich
Luft verdichtet. Im Gegensatz zum Kalttest von Turboladern gemäß dem Stand der
Technik können
so auch am Verdichter der im Kalttest zu prüfenden Abgasturboladern Messgrößen ermittelt
werden, die dem wahren Betrieb der Abgasturbolader realitätsnah nachempfunden
sind.
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Die Drosselung der Luft auf der Druckseite des
jeweiligen Verdichters erfolgt durch eine zum Kalttest erfolgende
Anordnung einer Drossel an oder hinter der Druckseite des Verdichters.
Dadurch entsteht zwischen der Druckseite des Verdichters und der
Drossel eine Messstrecke, in der die erforderlichen Geber der Messgeräte adaptiert
werden können.
Die Drossel ermöglicht
es auch, dass die Luft dahinter ins Freie austreten kann. Gleichwohl
weist die Luft der Strecke bis zur Drossel einen erhöhten Druck
auf, der Messungen zulässt,
weil der Verdichter arbeitet, nämlich
Luft komprimieren kann. Das freie Ableiten der Luft hinter der Drossel
macht es nicht erforderlich, zum Kalttest den Verdichter des Abgasturboladers
mit der Ansaugseite des Verbrennungsmotors zu verbinden.
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Zum Antrieb der Turbine des jeweils
zu prüfenden
Abgasturboladers kann entweder eine externe Druckluftquelle dienen
oder Druckluft verwendet werden, die auf der Abgasseite eines schleppend
angetriebenen Verbrennungsmotors entsteht. Der Druck dieser Druckluft
kann gegebenenfalls erhöht werden
durch Zufuhr von unter Druck stehender Luft zum Ansaugtrakt des
schleppend angetriebenen Verbrennungsmotors. Die genannten Alternativen
zur Druckluftversorgung der Turbine des zu prüfenden Abgasturboladers lassen
es aufgrund der Drossel an der Druckseite des Verdichters zu, diesen
sozusagen unter Last im Kalttest zu prüfen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
des Verfahrens werden die am Verdichter des jeweils zu prüfenden Abgasturboladers
zu ermittelnden Messgrößen, insbesondere
der Verdichtungsenddruck (Ladedruck), zwischen der Druckseite des
Verdichters und der Drossel ermittelt. Hier lassen sich die Messgrößen unter
realitätsnahen
Bedingungen ermitteln, wobei sich gleichzeitig die zum Messen erforderlichen
Messgrößenaufnehmer
rasch und einfach adaptieren lassen.
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Vorzugsweise werden als Messgrößen beim Kalttest
des jeweiligen Abgasturboladers der Verdichtungsenddruck (Ladedruck)
der Verdichterluftmassenstrom, der Verbrennungsmotorluftmassenstrom,
der Ansaugdruck des Verbrennungsmotors, die Abgasturboladerdrehzahl,
die Verbrennungsmotordrehzahl und/oder Temperaturen der Druckluft und/oder
des Öls
ermitteln. Die genannten Messgrößen werden
gemeinsam oder gegebenenfalls auch nur zum Teil ermittelt. Dabei
gewährleisten
die erfindungsgemäßen Verfahren
die Ermittlung realitätsnaher
und aussagekräftiger
Messgrößen, und
zwar insbesondere deswegen, weil es die erfindungsgemäßen Verfahren
ermöglichen,
den oder jeden im Kalttest zu prüfenden
Abgasturbolader im Turbokennfeld (kalt) zu prüfen.
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Es ist weiterhin vorgesehen, Kennwerte
des jeweiligen Abgasturboladers aus Verhältnissen der beim Kalttest
ermittelten Messgrößen zu bestimmen. Dabei
handelt es sich vorzugsweise um das Verhältnis des Verdichterluftmassenstroms
zum Verbrennungsmotorluftmassenstrom, das Verhältnis des Ladedrucks zum Verbrennungsmotorluftmassenstrom, das
Verhältnis
des Verdichterluftmassenstroms zur Drehzahl des Abgasturboladers
und/oder das Verhältnis
des Ladedrucks zur Abgasturboladerdrehzahl. Diese Kennwerte lassen
auch bei in kaltem Zustand geprüften
Abgasturboladern Aussagen über ihre
Funktion, Leistung, Wirkungsgrad und/oder Ladedruckcharakteristik
zu, die – obwohl
die Messgrößen im simulierten
Kalttest aufgenommen worden sind – mit den Gegebenheiten im
Praxisbetrieb des jeweiligen Abgasturboladers übereinstimmen oder zumindest
vergleichbar sind.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren fassen sich bevorzugt
auch zum gleichzeitigen Prüfen
zweier Abgasturbolader verwenden, die einem gemeinsamen Verbrennungsmotor
(Bi-Turbolader) zugeordnet sind. Bei Bi-Turboladern kommt es besonders
auf den Synchronlauf der einzelnen Abgasturbolader an. Dieser ist
aufgrund fertigungsbedingter Einflüsse, insbesondere Toleranzen,
in der Praxis nur schwer erzielbar. Deswegen wählt man für einen zwei Abgasturbolader
erfordernden Verbrennungs motor solche Abgasturbolader aus, die eine
gleiche oder annähernde
Charakteristik aufweisen. Hierzu eignet sich besonders der Kalttest
nach den erfindungsgemäßen Verfahren,
weil aufgrund der ermittelten Messgrößen und Kennwerte sich ableiten
lässt,
ob die Abgasturbolader Eigenschaften aufweisen, die einen gemeinsamen
Betrieb am Verbrennungsmotor aufweisen, insbesondere eine gute Synchronisation
erwarten lassen. Gegebenenfalls kann dann, wenn sich beim Kalttest
herausstellt, dass die beiden getesteten Abgasturbolader unterschiedliche
Charakteristika aufweisen, durch gegebenenfalls mehrfaches Austauschen
mindestens eines Abgasturboladers ein passendes Paar an Abgasturboladern
mit möglichst
gleichen Charakteristiken ermittelt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der
Zeichnung zeigt prinzipiell ein Schaltbild eines zu prüfenden Abgasturboladers
mit dem dazugehörenden
Verbrennungsmotor.
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Das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel
der Erfindung bezieht sich auf die Prüfung eines (einzigen) Abgasturboladers 10,
der einem Verbrennungsmotor 11 zugeordnet ist. Beim Verbrennungsmotor 11 kann
es sich sowohl um ein Ottomotor also auch um einen Dieselmotor handeln.
Vorzugsweise wird ein Verbrennungsmotor 11 verwendet, der
zusammen mit dem Abgasturbolader 10 verbaut wird. Es wird
also der Abgasturbolader 10 an demjenigen Verbrennungsmotor 11 geprüft, mit
dem der Abgasturbolader 10 später auch betrieben wird. Der
Abgasturbolader 10 wird im sogenannten Kalttest mit Umgebungstemperatur
aufweisender Druckluft geprüft. Dabei
wird der Verbrennungsmotor 11 schleppend angetrieben, also
beim Kalttest des Abgasturboladers 10 ebenfalls im kalten,
unbefeuerten Zustand betrieben.
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Der Abgasturbolader 10 weist
eine Turbine 12 auf, die einen Verdichter 13 antreibt.
Dazu ist der Verdichter 13 mit der Turbine 12 direkt
gekoppelt, vorzugsweise über
eine die Turbine 12 mit dem Verdichter 13 verbindende
Antriebswelle 14.
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Der Verbrennungsmotor 11 ist über eine Druckluftleitung 15 mit
der Eingangsseite der Turbine 12 verbunden. Die Druckluftleitung 15 geht
vom Abgastrakt des Verbrennungsmotors 11 aus. Vorzugsweise
ist die Druckluftleitung 15 an den Abgaskrümmer des
Verbrennungsmotors 11 angeschlossen. Die zum Antrieb der
Turbine 12 des zu prüfenden
Abgasturboladers 10 dienende Druckluft wird beim Antrieb der
Turbine 12 entspannt und tritt über den Ausgang der Turbine 12 ins
Freie. Dieser Austritt der in der Turbine 12 entspannten
Luft ist in der Zeichnung durch einen Pfeil 16 symbolisiert.
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Der Verdichter 13 saugt
an seiner Einlassseite Umgebungsluft an. Dieses ist durch einen
Pfeil 17 in der Figur symbolisiert. Der von der Turbine 12 über die
Antriebswelle 14 angetriebene Verdichter 13 verdichtet
die angesaugte Luft. Die danach an einer Druckseite 18 den
Verdichter 13 verlassende komprimierte Luft wird über eine
von der Druckseite 18 des Verdichters 13 ausgehende
Verbindungsleitung 19 zu einer Drossel 20 geleitet.
Bei der Drossel 20 handelt es sich im einfachsten Falle
um eine Lochblende mit einem Lochdurchmesser zwischen 5 mm und 15 mm.
Vorzugsweise beträgt
der Lochdurchmesser 10 mm bis 11 mm. Hinter der Drossel 20 wird
die Luft in Richtung des Pfeils 21 ins Freie abgeleitet.
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Durch die Drossel 20 arbeitet
trotz der Ableitung der Luft ins Freie der Verdichter 13 unter
Last, weil die Drossel 20 in der Verbindungsleitung 19 einen Überdruck
entstehen lässt.
Diesen Überdruck muss
der Verdichter 13 erzeugen, so dass dieser beim Kalttest
des Abgasturboladers 10 unter Betriebsbedingungen (unter
Last) arbeitet. Die Verbindungsleitung 19 zwischen dem
Luftauslass an der Druckseite 18 des Verdichters 13 und
der Drossel 20 eignet sich zur Applikation von Messwertaufnehmern zur
Ermittlung von Messgrößen an der
Druckseite 18 des Verdichters 13.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft wie folgt
ab:
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Vom ungefeuerten, schleppend angetriebenen
Verbrennungsmotor 11 wird angesaugte Umgebungsluft verdichtet.
Aus Sicherheitsgründen
wird der Verbrennungsmotor beim Kalttest des Abgasturboladers 10 mit
maximal 3.000 U/min. angetrieben. Die an der Abgasseite des Verbrennungsmotors 11 aufgrund
seines schleppenden Antriebs anfallende Druckluft gelangt über die
Abgaskrümmer
des Verbrennungsmotors 11 und die Druckluftleitung 15 zum Einlass
der Turbine 12 des kalt zu testenden Abgasturboladers 10.
Die vom Verbrennungsmotor 11 kommende Druckluft treibt
dabei die Turbine 12 an, und zwar mit einer Drehzahl, von
bis zu 100.000 U/min. Dabei arbeitet der Abgasturbolader 10 im
sogenannten Turbokennfeld. Die beim Antrieb der Turbine 12 entspannte
Luft entweicht im Wesentlichen drucklos aus der Turbine 12.
Die von der Druckluft angetriebene Turbine treibt über die
Antriebswelle 14 den Verdichter 13 an. Dieser
sorgt dabei an der Ansaugseite drucklose Umgebungsluft an und verdichtet
diese. Die dadurch komprimierte und unter Druck stehende Luft strömt über die
Verbindungsleitung 19 zur Drossel 20 und entweicht
hinter der Drossel
20 ins Freie. Die Drossel 20 hält den vom
Verdichter 13 erzeugten Druck der Luft in der Verbindungsleitung 19 im
Wesentlichen aufrecht, wobei in der Verbindungsleitung 19 Messungen
der von des im Turbokennfeld arbeitenden Verdichters 13 verdichteten
Luft stattfinden können.
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In der Figur der Zeichnung ist noch
eine externe Druckluftquelle 22 angedeutet. Die externe Druckluftquelle 22 liefert
unter Druck stehende Luft, die über
eine Verbindungsleitung 23 zum Ansaugtrakt, vorzugsweise
zu den Ansaugkrümmern,
des Verbrennungsmotors 11 geleitet wird. Die von der Druckluftquelle 22 vorkomprimierte
Luft dient – wenn es
zum Kalttest erforderlich oder gewünscht ist – zum Aufladen des Verbrennungsmotors 11.
Hierdurch wird die Luftmasse, welche durch den Verbrennungsmotor 11 und
anschließend
durch die Turbine 12 strömt, erhöht. Hieraus resultiert eine
nochmalige Erhöhung
der Drehzahl des Abgasturboladers 10. Es ist aber auch
denkbar, den Kalttest des Abgasturboladers 10 vorzunehmen,
ohne dass dem Verbrennungsmotor 11 auf der Ansaugseite
vorverdichtete Luft zugeführt
wird. Bei dieser Verfahrensweise saugt der Verbrennungsmotor 11 drucklose
Umgebungsluft an.
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Beim Kalttest des Abgasturboladers 10 mit schleppend
bis zu einer Maximaldrehzahl von 3000 U/min angetriebenen Verbrennungsmotor 11 und
einer erzeugten Drehzahl der Turbine 12 von bis zu 100.000
U/min werden folgende Messgrößen erfasst: Abgasturboladerdrehzahl,
Verbrennungsmotordrehzahl, Verdichterluftmassenstrom, Verbrennungsmotorluftmassenstrom,
Ladedruck des Abgasturboladers 10, Ansaugdruck des Verbrennungsmotors 11 und
die Temperatur der Luft sowie des Öls. Es müssen nicht zwangsläufig alle
genannten Messgrößen erfasst
werden, es kann gegebenenfalls ausreichen, nur einen Teil dieser
genannten Messgrößen zu erfassen.
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Der Verdichterluftmassenstrom wird
ermittelt durch einen Luftmassenmesser, das auf der Saugseite (Pfeil 17)
des Verdichters 13 adaptiert wird. Der Ladedruck des Verdichters 13 wird
auf der Druckseite 18 des Verdichters 13 vor der
Drossel 20 ermittelt. Die Abgasturboladerdrehzahl wird
anhand der Drehzahl der Turbine 12 ermittelt.
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Aus den genannten Messgrößen werden zum
Kalttest des Abgasturboladers 10 Kennwerte ermittelt. Bei
diesen Kennwerten handelt es sich um das Verhältnis des Verdichterluftmassenstroms
zum Verbrennungsmotorluftmassenstrom, das Verhältnis des Ladedrucks zum Verbrennungsmotorluftmassenstrom,
das Verhältnis
des Verdichterluftmassenstroms zur Drehzahl des Abgasturboladers 10 und das
Verhältnis
des Ladedrucks zur Drehzahl des Abgasturboladers 10. Auch
hier kann es gegebenenfalls ausreichen, wenn nur einige der genannten
Kennwerte aus den Messgrößen errechnet
werden.
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Bei einem in der Zeichnung nicht
gezeigten Verbrennungsmotor mit zwei Abgasturboladern (Bi-Turbo)
werden zwei dem Verbrennungsmotor zugeordnete Abgasturbolader gleichzeitig
dem Kalttest unterzogen. Dabei ist jeder der beiden Zylinderbänke des
Verbrennungsmotors ein Abgasturbolader zugeordnet. Jeder Abgasturbolader
wird vom Abgastrakt einer Zylinderbank mit im schleppend angetriebenen Verbrennungsmotor
erzeugter Druckluft versorgt.
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Beim gleichzeitigen Kalttest beider
Abgasturbolader eines Bi-Turboverbrennungsmotors werden nicht nur
die eingangs im Zusammenhang mit dem Kalttest eines Abgasturboladers 10 ermittelten
Messgrößen und
Kennwerte erfasst und ausgewertet; vielmehr werden anhand dieser
Messgrößen und
Kennwerte auch die Charakteristiken beider Abgasturbolader ermittelt
und miteinander verglichen. Dieser Vergleich erfolgt im Hinblick
auf gleiche oder nahezu gleiche Charakteristika beider Abgasturbolader.
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Stellt sich beim Kalttest heraus,
dass die beiden getesteten Abgasturbolader hinsichtlich ihrer Charakteristiken
zu große
Abweichungen aufweisen, wird mindestens ein Abgasturbolader ausgetauscht gegen
einen anderen Abgasturbolader und hiermit der Kalttest wiederholt.
Der Kalttest wird so häufig durchgeführt, bis
zwei Abgasturbolader mit gleicher oder annähernd gleicher Charakteristik
gefunden sind, von denen annehmbar ist, dass sie sich beim späteren Betrieb
des Verbrennungsmotors mit ausreichender Genauigkeit synchronisieren
lassen.
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- 10
- Abgasturbolader
- 11
- Verbrennungsmotor
- 12
- Turbine
- 13
- Verdichter
- 14
- Antriebswelle
- 15
- Druckluftleitung
- 16
- Pfeil
- 17
- Pfeil
- 18
- Druckseite
- 19
- Verbindungsleitung
- 20
- Drossel
- 21
- Pfeil
- 22
- Druckluftquelle
- 23
- Verbindungsleitung