DE112012000789T5

DE112012000789T5 - Turbinengehäuse eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE112012000789T5
Application number: DE112012000789T
Authority: DE
Inventors: Volker Jörgl; Harald Roclawski; Sylvia Haller
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-11-07
Also published as: WO2012125385A2; WO2012125385A3; CN103429870B; US9518479B2; CN103429870A; US20130343881A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse (1) des Abgasturboladers (2) mit einem Einlass (5), an den sich eine Spirale (6) anschließt; mit einem Auslass (7); und mit einer Kühlmittelanordnung (8); wobei die Kühlmittelanordnung (8) eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen (9 bis 14) aufweist, die von einem Einlasskanalabschnitt (15) abzweigen und in einem Auslasskanalabschnitt (16) einmünden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Turbinengehäuse eines Abgasturboladers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiges Turbinengehäuse ist aus der DE 10 2008 011 257 A1 bekannt. Bei diesem Turbinengehäuse sind Schalenelemente zur Bildung eines Kühlmittel führenden Hohlraumes außen am Turbinengehäuse befestigt.
Obwohl durch diese Art der Kühlmitteleinrichtung gemäß den Angabe in der DE 10 2008 011 257 A1 eine Vereinfachung der Konstruktion und eine gegenüber sonstigen Konstruktionen geringere Gewichtserhöhung des Turbinengehäuse erreichbar sein soll, bleibt noch das Problem, dass der Wärmeeintrag in das Turbinengehäuse nicht vermindert werden kann, sondern nur die negativen Auswirkungen dieses Wärmeeintrages durch die Kühlmitteleinrichtung gemildert werden können. Ferner bleibt das Problem, dass insbesondere für den Einsatz in Automobilen gekühlte Turbinengehäuse zwangsläufig einen größeren Bauraum benötigen und vor allem das Gewicht des gesamten Abgasturboladers erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbinengehäuse der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine Konstruktion für Höchstleistungseinsätze bei kleinstmöglichem Package und niedrigem Gewicht sowie niedrigen Herstellungskosten bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Durch das Aufteilen der Kühlmittelanordnung in eine Mehrzahl von separat mit Kühlmittel beschickbaren im Turbinengehäuse verlaufenden Kühlmittelkanälen ist es zunächst möglich, eine gezielte Kühlmittelführung innerhalb des Turbinengehäuses zu erreichen. Hierdurch wird es möglich, eine gezielte Anpassung des Kühlmittelflusses je nach Kühlbedarf zu den verschiedenen zu kühlenden Bereichen des Turbinengehäuses zu erreichen. So können beispielsweise der Bereich der Wastegate-Klappe, die Zunge, der Verdichterradkonturbereich und der Bereich des Wastegate-Kanals intensiver gekühlt werden, wohingegen weniger erwärmte Bereiche nur geringer gekühlt werden können. Dies betrifft insbesondere Bereiche, die bei manchen Turbinengehäusen mit Wärmedämmeinrichtungen versehen sind.
Darüber hinaus ist es möglich, hohe Kühlmitteldurchflussgeschwindigkeiten in bestimmten Bereichen darzustellen, was mit einem Kühlmantel, der beim gattungsgemäßen Turbinengehäuse zum Einsatz kommt, praktisch nicht möglich ist.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine schematisch stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines Turboladers, bei dem das erfindungsgemäße Turbinengehäuse verwendet werden kann;
2 eine schematisch leicht vereinfachte perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses,
3 eine Schemaskizze zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaues der Kühlmittelanordnung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses, und
4 eine auseinandergezogene Darstellung einer möglichen praktischen Ausführung der Komponenten der Kühlmittelanordnung gemäß 3.
1 zeigt ein Turbinengehäuse 1 eines Abgasturboladers 2, der neben dem Turbinengehäuse 1 mit Turbinenrad 1A und Spirale 6 wie üblich ein Verdichtergehäuse 3 mit Verdichterrad 3A aufweist, wobei das Turbinenrad 1A und das Verdichterrad 3A über eine Welle 4 miteinander verbunden sind. Ein derartiger Turbolader 2 weist natürlich auch sämtliche andere übliche Komponenten auf, die jedoch nicht dargestellt und beschrieben sind, da sie zur Erläuterung der Prinzipien vorliegender Erfindung nicht erforderlich sind.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Turbinengehäuses 1 mit einem Einlass 5 und einem Auslass 7. In dieser Darstellung ist eine Kühlmittelanordnung 8 nicht sichtbar, diese wird jedoch nachfolgend anhand der 3 und 4 im Einzelnen beschrieben. 2 verdeutlicht jedoch, dass der Einlass 5 und der Auslass 7 jeweils mit einem Hitzeschild 22 bzw. 23 versehen werden kann.
Aus der Zusammenschau der 3 und 4 ergibt sich der prinzipielle Aufbau und eine mögliche praktische Ausführungsform der Kühlmittelanordnung 8. Wie 3 hierbei verdeutlicht, ist die Kühlmittelanordnung 8 in eine Mehrzahl von separaten innerhalb des Turbinengehäuses 1 verlaufenden Kühlmittelkanälen 9 bis 14 aufgeteilt, die von einem Einlasskanalabschnitt 15 abzweigen und alle in einen Auslasskanalabschnitt 16 einmünden. Der Einlasskanalabschnitt 15 wird hierbei im Einlass 5 und der Auslasskanalabschnitt 16 im Auslass 7 angeordnet.
Die Blöcke zwischen dem Einlasskanalabschnitt 15 und dem Auslasskanalabschnitt 16 symbolisieren die Bereiche des Turbinengehäuses 1, die über die Kühlmittelleitungen 9 bis 14 mit Kühlmittel, insbesondere Wasser, zu versorgen sind. Die zentralen vier Blöcke 17 sind der Bereich der Radkontur bzw. des Wastegates des Turbinengehäuses 1. Der Block 18 symbolisiert den oberen, und der Block 19 den unteren Einlassabschnitt. Der Block 20 symbolisiert den unteren Bereich der Spirale, und der Block 21 symbolisiert den Spiralbereich.
Diese Kühlmittelabschnitte 17 bis 21 (die auch als integrale Abschnitte der Kühlmittelleitung 9 bis 14 aufgefasst werden können) sind bei der praktischen Ausführung in ihrer Dimensionierung und Form natürlich an den zu kühlenden Turbinengehäusebereich angepasst, wie sich das aus der Darstellung der 4 ergibt. 4 zeigt ein Beispiel einer praktischen Ausführung der in 3 durch die genannten Blöcke 17 bis 21 symbolisierten Turbinengehäusebereiche, so dass die entsprechenden Teile in 4 mit den gleichen Bezugsziffern wie in 3 gekennzeichnet sind. Um die Form und Dimensionierung der einzelnen Bereiche 17 bis 21 besser darstellen zu können, ist 4 eine auseinandergezogene Darstellung dieser Bereiche. Alle diese Bereiche, wie auch der Einlass- und der Auslassabschnitt 15 bzw. 16, sind bei der praktischen Ausführung natürlich miteinander verbunden, um Strömungsverbindungen zu schaffen, die zumindest im Wesentlichen unabhängig voneinander sind, so dass je nach Kühlanforderung auch bewusst unterschiedliche Kühlmittelmengen den einzelnen Bereichen bzw. Kühlmittelkanälen 9 bis 13 zugeführt werden können.
Die aus 4 ersichtlichen Komponenten 15 bis 21 sind in das Turbinengehäuse 1 eingegossen (wozu beim Gießen entsprechend geformte Kerne verwendet werden) und können darüber hinaus mit Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, wie Ventilen, Drosseln, Blenden oder Ähnlichem, versehen werden, um gezielt die Kühlmittelströmungen steuern bzw. regeln zu können.
So ist es beispielsweise möglich, Bereiche, die einer geringeren Wärmeeinwirkung durch das Abgas ausgesetzt sind, geringer zu kühlen. Dies können beispielsweise auch Bereiche sein, die, wie 2 zeigt, mit zusätzlichen Hitzeschilden 22 bzw. 23 versehen sind, die den Wärmeeintrag vermindern.
Insgesamt ist es mit der erfindungsgemäßen Ausbildung möglich, einen bestimmbaren kritischen Minimumanteil von Kühlmittel in die Bereiche mit hohem Wärmeeintrag (Konturbereich, Düsenbereich vor dem Eingang zum Turbinenrad und Wastegate-Bereich) zu leiten. All diese Bereiche werden im Beispielsfalle der 3 und 4 durch die Kanäle 11 und 14 bzw. die Blöcke 17 gekühlt.
Insgesamt ist es möglich, wie gesagt, die Kühlmittelkanäle 9 bis 14 bzw. die Kühlmittelabschnitte 17 bis 21 im Wesentlichen unabhängig voneinander auszubilden, so dass der Durchfluss durch die Kanäle bzw. Bereiche auf gewünschte Art und Weise steuer- bzw. regelbar ist.
Ferner ist es vorzugsweise möglich, die Kühlmittelkanäle, die zu Turbinengehäusebereichen mit hohem Wärmeeintrag führen, mit einem geringen Strömungswiderstand auszubilden, als die anderen Kanäle. Dies führt zu einer natürlichen Zurückführung des Kühlmittelflusses in die Bereiche mit hohem Wärmeeintrag, also weg von den Kanälen mit höherem Strömungswiderstand.
Hierbei ist es ferner möglich, alle Kühlmittelkanäle, die zu kritischen Bereichen mit hohem Wärmeeintrag führen, mit Kühlmittel mit signifikant höherer Strömungsgeschwindigkeit zu versorgen. Dies wiederum ermöglicht es, den Kühlmittelanteil für die Bereiche mit hohem Wärmeeintrag im Vergleich zu den übrigen Bereichen bzw. Kühlmittelkanälen signifikant zu erhöhen.
Der bzw. die Kühlmittelkanäle zu den kritischen Bereichen mit hohem Wärmeeintrag können einen signifikant höheren durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen ihren Wänden und dem Kühlmittel im Vergleich zu den übrigen Kanälen aufweisen. Hierdurch wiederum wird es möglich, dass die Kühlmittelkanäle bzw. Kühlmittelbereiche mit hohem Wärmeeintrag eine höhere Wärmeabfuhr als die anderen Bereiche bzw. Kanäle haben. Beispielsweise ist es möglich, den Kühlmittelfluss derart aufzuteilen, dass der Kühlmittelkanal zu den kritischen Bereichen zumindest 40% der gesamten Wärmeabfuhr aller Kühlmittelkanäle bewerkstelligt.
Darüber hinaus ist es möglich, einen oder mehrere Kühlmittelkanäle in all die Bereiche mit hohem Wärmeeintrag einzuleiten. Im Falle von mehreren Kanälen bzw. Kühlmittelabschnitten zu den kritischen Bereichen des Turbinengehäuses sind die zuvor erläuterten Möglichkeiten ebenfalls gültig.
Wie zuvor bereits anhand der 2 erläutert, ist es darüber hinaus möglich, insbesondere den Einlass und Auslass 5 bzw. 7 mit Hitzeschilden 22 und 23 zu versehen, obwohl auch diese Bereiche gekühlt sind, wobei sich durch das Vorsehen derartiger Hitzeschilde 22, 23 ein geringerer Kühlungsbedarf in den entsprechenden Bereichen 5 bzw. 7 ergibt.
Obwohl eine Kühlmittelanordnung bevorzugt ist, bei der sämtliche Kühlmittelkanäle vom Einlasskanalabschnitt abzweigen und in den Auslasskanalabschnitt einmünden, ist es vom Prinzip her auch möglich, dass neben den zuvor beschriebenen Kühlmittelkanälen ein oder mehrere andere Kühlmittelkanäle im Turbinengehäuse vorgesehen sind, die separat in diesen verlaufen.
Neben der schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit explizit auf deren zeichnerische Darstellung in den 1 bis 4 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Turbinengehäuse
1A: Turbinenrad
2: Abgasturbolader
3: Verdichtergehäuse
3A: Verdichterrad
4: Rotorwelle
5: Einlass
6: Spirale
7: Auslass
8: Kühlmittelanordnung
9–14: Kühlmittelkanäle
15: Einlasskanalabschnitt
16: Auslasskanalabschnitt
17–21: Kühlmittelabschnitte des Turbinengehäuses 1
22, 23: Hitzeschilde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0002, 0003]

Claims

Turbinengehäuse (1) eines Abgasturboladers (2) – mit einem Einlass (5), an den sich eine Spirale (6) anschließt; – mit einem Auslass (7); und – mit einer Kühlmittelanordnung (8); dadurch gekennzeichnet – dass die Kühlmittelanordnung (8) eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen (9 bis 14) aufweist, die zumindest im Wesentlichen von einem Einlasskanalabschnitt (15) abzweigen und in einem Auslasskanalabschnitt (16) einmünden.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (9 bis 14) separat mit Kühlmittel beschickbar sind.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (9 bis 14) zu Kühlmittelabschnitten (17 bis 21) führen, die den jeweils zu kühlenden Turbinengehäusebereichen in Form und Dimensionierung angepasst sind.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (9 bis 14) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (9 bis 14) mittels Durchfluss-Steuereinrichtungen steuerbar sind.
Turbinengehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen als Blenden, Ventile, Klappen oder Ähnliches ausgebildet sind.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (11, 14) zu Kühlmittelabschnitten (17) mit hohem Wärmeeintrag einen geringeren Strömungswiderstand aufweisen, als die Kühlmittelleitungen zu Kühlmittelabschnitten mit geringerem Wärmeeintrag.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5) mit einem Hitzeschild (22) versehen ist.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (7) mit einem Hitzeschild (23) versehen ist.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelkanäle (9 bis 14) und die Kühlmittelabschnitte (17 bis 21) in das Turbinengehäuse (1) eingegossen sind.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäusematerial Aluminium ist.