DE112013005892T5

DE112013005892T5 - Turbinengehäuse

Info

Publication number: DE112013005892T5
Application number: DE112013005892.8T
Authority: DE
Inventors: Takanori Fukuda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-09-10
Also published as: CN104822918B; US20150300203A1; JP2014114746A; JP5935677B2; WO2014091905A1; US9816395B2; CN104822918A

Abstract

Ein Turbinengehäuse umfasst einen Spiralkanal, einen Medienkanal, einen Abgaseinlasskanal und eine Trennwand. Der Spiralkanal erstreckt sich spiralförmig und ist außerhalb eines Turbinenrads angeordnet. Ein Turbinenrad wird mit einem Abgas aus einer Brennkraftmaschine angeströmt, das durch den Spiralkanal hindurchströmt. Der Spiralkanal umfasst einen spiralförmigen Anfang und ein spiralförmiges Ende. Ein Kühlmedium strömt durch das Innere des Medienkanals hindurch. Der Abgaseinlasskanal ist mit dem spiralförmigen Anfang verbunden und lässt Abgas in den Spiralkanal ein. Die Trennwand ist zwischen dem spiralförmigen Ende und dem Abgaseinlasskanal angeordnet, und erstreckt sich in der Umfangsrichtung des Turbinenrads. Der Medienkanal umfasst einen Anfangsabschnitt, der einen Nebenabschnitt umfasst. Der Nebenabschnitt ist neben der Trennwand in der Richtung der Drehachse des Turbinenrads. Der Anfangsabschnitt umfasst einen Einlass, der das Kühlmedium in den Medienkanal einlässt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Turbinengehäuse, das einen Medienkanal umfasst, durch den ein Kühlmedium, wie etwa Motorkühlmittel strömt.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennkraftmaschine umfasst oft einen durch Abgas angetriebenen Turbolader. Patentdokument 1 beschreibt ein Turbinengehäuse, das ein Teil eines solchen Turboladers ist. Ein Außenmantel deckt die Außenfläche des Turbinengehäuses ab und Motorkühlmittel wird dem Freiraum zwischen der Außenfläche des Gehäuses und dem Außenmantel zugeführt. Der Freiraum fungiert als Medienkanal, dem das Kühlmittel zugeführt wird, das das Turbinengehäuse durch Wärmeaustausch kühlt.
DOKUMENTE DES STANDS DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2008-267257

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
Wenn der Turbolader betrieben wird, ist die Wärmemenge, die ein Turbinengehäuse von einem Abgas aufnimmt, nicht einheitlich und schwankt in unterschiedlichen Abschnitten. Bei der im Patentdokument 1 beschriebenen Struktur deckt der Medienkanal im Wesentlichen die gesamte Außenfläche des Turbinengehäuses ab, um das gesamte Turbinengehäuse zu kühlen. Daher schafft es die Struktur nicht, das gesamte Turbinengehäuse entsprechend der Temperatur jedes Abschnitts des Turbinengehäuses effektiv zu kühlen. Beispielsweise kann ein Abschnitt des Turbinengehäuses, der weniger Wärme von dem Abgas aufnimmt, übermäßig gekühlt werden oder ein Abschnitt, der mehr Wärme aufnimmt, kann durch das Motorkühlmittel unzureichend gekühlt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turbinengehäuse vorzusehen, das in seiner Gesamtheit angemessen gekühlt werden kann.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen und in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein Turbinengehäuse vorgesehen, das einen Spiralkanal, einen Medienkanal, einen Abgaseinlasskanal und eine Trennwand umfasst. Der Spiralkanal erstreckt sich spiralförmig und ist außerhalb eines Turbinenrads angeordnet. Ein Abgas einer Brennkraftmaschine, mit dem das Turbinenrad angeströmt wird, strömt durch den Spiralkanal und der Spiralkanal umfasst einen spiralförmigen Anfang und ein spiralförmiges Ende. Ein Kühlmedium strömt durch den Medienkanal. Der Abgaseinlasskanal ist mit dem spiralförmigen Anfang verbunden und lässt das Abgas in den Spiralkanal ein. Die Trennwand erstreckt sich zwischen dem spiralförmigen Ende und dem Abgaseinlasskanal, und in einer Umfangsrichtung des Turbinenrads. Der Medienkanal umfasst einen Anfangsabschnitt, der einen Nebenabschnitt umfasst, wobei der Nebenabschnitt in einer Richtung einer Drehachse des Turbinengehäuses neben der Trennwand angeordnet ist. Der Anfangsabschnitt umfasst einen Einlass, der das Kühlmittel in den Medienkanal einlässt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die die Struktur eines Turboladers zeigt, der ein Turbinengehäuse gemäß einer Ausführungsform umfasst.
2 ist eine Schnittansicht, die das Turbinengehäuse zeigt.
3 ist eine Draufsicht, die das Turbinengehäuse zeigt.
4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in 3.
5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in 3.
6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in 3.
7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in 3.
8 ist eine Draufsicht, die ein Turbinengehäuse gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt.
9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 in 8.
10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 in 8.
11 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in 8.
12 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 in 8.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ein Turbinengehäuse gemäß einer Ausführungsform wird nun beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Turbolader 30 eine Turbine 31, die mit einem Abgaskanal 21 einer Brennkraftmaschine 20 gekoppelt ist, und einen Verdichter 32, der mit einem Einlasskanal 22 der Brennkraftmaschine 20 gekoppelt ist. Ein Turbinenrad 33 ist in der Turbine 31 angeordnet und ein Verdichterrad 34 ist in dem Verdichter 32 angeordnet. Das Turbinenrad 33 und das Verdichterrad 34 sind durch eine Welle 35 miteinander gekoppelt, um einstückig drehbar zu sein.
Bei dem Turbolader 30 verursacht ein Betrieb der Brennkraftmaschine 20 ein Anströmen des Turbinenrads 33 mit einem Abgas und verursacht eine einstückige Drehung des Turbinenrads 33 und des Verdichterrads 34. Das presst die in dem Einlasskanal 22 strömende Einlassluft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 20 und führt diese zwangsweise zu.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst ein Turbinengehäuse 40 der Turbine 31 einen Spiralkanal 41, der sich spiralförmig um eine Drehachse L1 des Turbinenrads 33 erstreckt und auf der radialen Außenseite des Turbinenrads 33 angeordnet ist. Eine Öffnung (Spalt 42) erstreckt sich über den gesamten Umfang des radialen Innenabschnitts des Spiralkanals 41. Das Turbinenrad 33 wird durch das Abgas in dem Spiralkanal 41 durch den Spalt 42 angeströmt. Die Pfeile ohne Füllung in 2 zeigen den Abgasstrom.
Der Spiralkanal 41 umfasst einen spiralförmigen Anfang 41A und ein spiralförmiges Ende 41B. Der spiralförmige Anfang 41A ist mit einem Abgaseinlasskanal 43 verbunden, der Abgas in den Spiralkanal 41 von dem Abgaskanal 21 einlässt. Das Turbinengehäuse 40 umfasst eine zungenförmige Trennwand 44, die an der Verbindungsstelle des spiralförmigen Endes 41B des Spiralkanals 41 und des Abgaseinlasskanals 43 angeordnet ist. Die Trennwand 44 erstreckt sich von der Innenwand des Turbinengehäuses 40 und in der Umfangsrichtung des Turbinenrads 33, um den Kanal 41 von dem Kanal 43 zu trennen.
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das Turbinengehäuse 40 einen Wassermantel 45, der das Turbinengehäuse 40 kühlt. Der Wassermantel 45 erstreckt sich entlang des Abgaseinlasskanals 43 und des Spiralkanals 41. Der Wassermantel 45 kühlt den Abschnitt wirksam, in dem der Abgaseinlasskanal 43 und der Spiralkanal 41 angeordnet sind, das heißt, den Abschnitt, durch den Abgas strömt und der eine große Wärmemenge von dem Abgas aufnimmt. Ein Ende des Wassermantels 45 in der Erstreckungsrichtung (in 3 durch den Pfeil ohne Füllung gezeigte Richtung) umfasst einen Einlass 46, der ein Kühlmedium (in der vorliegenden Ausführungsform, ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennkraftmaschine 20) in den Wassermantel 45 einlässt. Das andere Ende des Wassermantels 45 umfasst einen Auslass 47, der das Kühlmittel aus dem Wassermantel 45 abführt. Das Kühlmittel strömt von dem Einlass 46 zu dem Auslass 47 in den Wassermantel 45. In der vorliegenden Ausführungsform kühlt der Wärmeaustausch zwischen dem Turbinengehäuse 40 und dem in den Wassermantel 45 strömenden Kühlmittel das Turbinengehäuse 40.
Wie in den 4 bis 7 gezeigt ist, umfasst das Turbinengehäuse 40 einen Gehäusehauptkörper 48, der den Abgaseinlasskanal 43 und den Spiralkanal 41 umfasst, sowie einen Mantelabschnitt 49, der ein Abschnitt der Außenwand des Wassermantels 45 ist. 4 ist eine Schnittansicht des Turbinengehäuses 40 entlang der Linie 4-4 in 3, 5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in 3, 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in 3 und 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 in 3. Der Gehäusehauptkörper 48 und der Mantelabschnitt 49 sind separat beispielsweise durch Gießen ausgebildet. Der Mantelabschnitt 49 ist mit dem Gehäusehauptkörper 48 durch Schweißen oder dergleichen verbunden, um das Turbinengehäuse 40 auszubilden.
Während eines Betriebs des Turboladers 30 ist die Wärmemenge, die das Turbinengehäuse 40 vom Abgas aufnimmt, nicht einheitlich und schwankt in unterschiedlichen Abschnitten des Turbinengehäuses 40.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst das Turbinengehäuse 40 die Trennwand 44, die sich zwischen dem spiralförmigen Ende 41B des Spiralkanals 41 und dem Abgaseinlasskanal 43 in der Umfangsrichtung des Turbinenrads 33 erstreckt. Die Trennwand 44 nimmt Wärme vom Abgas sowohl an der Oberfläche, die dem Abgaseinlasskanal 43 gegenüberliegt, als auch der Oberfläche, die dem Spiralkanal 41 gegenüberliegt. Zusätzlich hat der Abschnitt der Trennwand 44, der mit einem anderen Abschnitt verbunden ist, das heißt, der Abschnitt, der Wärme zu einem anderen Abschnitt überträgt, eine kleine Querschnittsfläche. Daher neigt die Trennwand 44 dazu, sich auf eine hohe Temperatur zu erwärmen, und die Temperaturerhöhung neigt dazu, die Zuverlässigkeit der Trennwand 44 zu verschlechtern.
Wenn die Zuführmenge des Kühlmittels festgelegt ist, um die Trennwand 44 ausreichend zu kühlen, können andere Abschnitte mit geringerer Temperatur übermäßig gekühlt sein. Das kann die Last auf die Wasserpumpe, die das Kühlmittel ausstößt, übermäßig erhöhen und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 20 absenken.
Da das Turbinengehäuse 40 durch Wärmeaustausch mit dem in dem Wassermantel 45 strömenden Kühlmittel gekühlt ist, ist der Abschnitt, in dem das Kühlmittel eine geringere Temperatur hat, in einem höheren Maße gekühlt. In der Nähe des Einlasses 46, der das Kühlmittel in den Wassermantel 45 einlässt, ist das Kühlmittel kaum einem Wärmeaustausch ausgesetzt und hat daher eine niedrigere Temperatur.
Dementsprechend ist der Wassermantel 45 der vorliegenden Ausführungsform wie folgt aufgebaut.
Der Wassermantel 45 umfasst einen Anfangsabschnitt 45B und einen Endabschnitt 45C in der Erstreckungsrichtung des Wassermantels 45. Der Anfangsabschnitt 45B umfasst einen Abschnitt, der neben der Trennwand 44 in der Richtung der Drehachse L1 des Turbinenrads 33 ist, und zwar einen Nebenabschnitt 45A. Ferner umfasst der Anfangsabschnitt 45B den Einlass 46. Genauer gesagt, ist der Einlass 46 stromaufwärts des Nebenabschnitts 45A in der Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Wassermantel 45 (hiernach lediglich als „stromaufwärts“ bezeichnet) angeordnet. Der Endabschnitt 45C umfasst den Auslass 47, der das Kühlmittel aus dem Wassermantel 45 abführt. Der Wassermantel 45 erstreckt sich von dem Anfangsabschnitt 45B zu dem Endabschnitt 45C in der Strömungsrichtung des Abgases in dem Spiralkanal 41.
In dem Turbinengehäuse 40 wird Kühlmittel in den Nebenabschnitt 45A und dessen Umgebung in dem Wassermantel 45 eingelassen. Das erlaubt es, die Trennwand 44 und ihre Umgebung, die auf eine höhere Temperatur als andere Abschnitte des Turbinengehäuses 40 erwärmt werden, durch Kühlmittel einer niedrigeren Temperatur zu kühlen. Außerdem ist der Abschnitt des Turbinengehäuses 40, der abseits von der Trennwand 44 ist, das heißt, der Abschnitt, der weniger wahrscheinlich auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, durch das Kühlmittel gekühlt, das die Trennwand 44 und ihre Umgebung gekühlt hat. Dementsprechend kann das gesamte Turbinengehäuse 40 entsprechend der Temperatur jedes Abschnitts angemessen gekühlt werden.
Kühlmittel ist in das Turbinengehäuse 40 an einer Stelle des Wassermantels 45 eingelassen, die stromaufwärts des Nebenabschnitts 45A des Wassermantels 45 angeordnet ist. Das erlaubt es dem Kühlmittel, das durch den Einlass 46 eintritt, in den Nebenabschnitt 45A gleichmäßig in einer Richtung zu strömen, dadurch den Nebenabschnitt 45A in einer bevorzugten Weise zu kühlen.
Ein Wärmeaustausch mit dem Turbinengehäuse 40 erhöht die Temperatur des Kühlmittels in dem Wassermantel 45. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Kühlmittels beim Strömen des Kühlmittels stromabwärts in der Strömungsrichtung (hiernach lediglich als „stromabwärts“ bezeichnet). Dadurch neigt die Kühlwirkung des Kühlmittels in der stromabwärtigen Richtung abzunehmen.
Dementsprechend verringert sich in der vorliegenden Ausführungsform die Kanalquerschnittsfläche des Wassermantels 45 von dem Einlass 46 in Richtung des Auslasses 47. Genauer gesagt ist der Wassermantel 45 geformt, um die Beziehung S1 > S2 > S3 > S4 zu erfüllen, wobei S1 die in 4 gezeigte Kanalquerschnittsfläche des Wassermantels 45 darstellt, S2 die in 5 gezeigte Kanalquerschnittsfläche darstellt, S3 die in 6 gezeigte Kanalquerschnittsfläche darstellt und S4 die in 7 gezeigte Kanalquerschnittsfläche darstellt, in einer Reihenfolge von dem Einlass 46 in der Erstreckungsrichtung des Wassermantels 45.
In dem Turbinengehäuse 40 verringert sich die Querschnittsfläche des Wassermantels 45 von dem Einlass 46 in Richtung des Auslasses 47, anders gesagt, in der stromabwärtigen Richtung. Das erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der stromabwärtigen Richtung. Dadurch ist in einem stromabwärtigen Abschnitt, in dem das Kühlmittel eine höhere Temperatur hat, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erhöht, wobei sich dadurch die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit von dem Turbinengehäuse 40 zu dem Kühlmittel erhöht. Das schränkt Schwankungen des Kühlgrads in unterschiedlichen Abschnitten des Turbinengehäuses 40 ein und kühlt das gesamte Turbinengehäuse 40 in einer bevorzugten Weise.
Die oben genannte Ausführungsform erreicht folgende Vorteile.

(1) Der Anfangsabschnitt 45B des Wassermantels 45 umfasst den Nebenabschnitt 45A, der neben der Trennwand 44 in der Richtung der Drehachse L1 des Turbinenrads 33 ist. Ferner umfasst der Anfangsabschnitt 45B den Einlass 46. Daher kann das gesamte Turbinengehäuse 40 angemessen gekühlt werden, entsprechend der Temperatur jedes Abschnitts.
(2) Der Wassermantel 45 erstreckt sich entlang des Spiralkanals 41. Das kühlt den Abschnitt wirksam, in dem der Spiralkanal 41 vorgesehen ist, das heißt, den Abschnitt, durch den Abgas strömt und der eine große Wärmemenge von dem Abgas aufnimmt.
(3) Die Kanalquerschnittsfläche des Wassermantels 45 verringert sich von dem Einlass 46 in Richtung des Auslasses 47. Das begrenzt Schwankungen in den Kühlgraden in unterschiedlichen Abschnitten des Turbinengehäuses 40, wobei dadurch das gesamte Turbinengehäuse 40 in einer bevorzugten Weise gekühlt wird.

Die oben genannte Ausführungsform kann wie folgt abgewandelt werden.
Der Kanal des Wassermantels 45 kann jede beliebige Form haben. Beispielsweise kann die Kanalquerschnittsfläche in allen Abschnitten im Wesentlichen identisch sein, oder die Kanalquerschnittsfläche kann sich von dem Einlass 46 in Richtung des Auslasses 47 allmählich vergrößern.
Solange wie sich der Wassermantel 45 von dem Nebenabschnitt 45A erstreckt, der neben der Trennwand 44 oder ihrer Umgebung ist, muss sich der Wassermantel 45 nicht entlang des Spiralkanals 41 erstrecken und kann sich in jeder beliebigen Form erstrecken.
Der Einlass kann so ausgebildet sein, dass das ankommende Kühlmittel zu dem Nebenabschnitt 45A geleitet wird, der neben der Trennwand 44 ist. Alternativ kann der Einlass so ausgebildet sein, dass das ankommende Kühlmittel zu einem Abschnitt geringfügig stromabwärts des Nebenabschnitts 45A geleitet wird, der neben der Trennwand 44 ist.
Der Gehäusehauptkörper 48 und der Mantelabschnitt 49 können einstückig ausgebildet sein, beispielsweise durch Gießen.
Wie in den 8 bis 12 gezeigt ist, kann ein Turbinengehäuse 50 einen Spiralabschnitt 53, der ein Abschnitt eines Abgaseinlasskanals 51 und eines Spiralkanals 52 ist, einen Mantelabschnitt 55, der ein Abschnitt eines Wassermantels 54 ist, einen ersten Gehäuseabschnitt 56, der auf der Seite des Verdichters eines Spalts 42 ist, sowie einen zweiten Gehäuseabschnitt 58 umfassen, der einen Kragenabschnitt 57 ausbildet. Der Spiralabschnitt 53 und der Mantelabschnitt 55 des Turbinengehäuses 50 können durch Gießen oder Metallplattenverarbeitung ausgebildet sein. 9 ist eine Schnittansicht des Turbinengehäuses 50 entlang der Linie 9-9 in 8, 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 in 8, 11 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in 8 und 12 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 12-12 in 8.
Das Turbinengehäuse der oben genannten Ausführungsformen ist nicht auf eine Struktur beschränkt, der eines der Kühlmittel, die die Brennkraftmaschine 20 kühlen, als ein Kühlmedium zugeführt wird, das das Turbinengehäuse kühlt, und kann eine Struktur sein, der ein Fluid (beispielsweise Kühlmittel oder Öl) zugeführt wird, das einer Peripherievorrichtung der Brennkraftmaschine 20 zugeführt wird, sowie eine Struktur, der ein Fluid (beispielsweise Kühlmittel oder Kühlöl) zugeführt wird, das zum Kühlen des Turbinengehäuses bestimmt ist.

Claims

Turbinengehäuse mit: einem Spiralkanal, der sich spiralförmig erstreckt und außerhalb eines Turbinenrads angeordnet ist, wobei Abgas einer Brennkraftmaschine, mit dem das Turbinenrad angeströmt ist, durch den Spiralkanal strömt, und wobei der Spiralkanal einen spiralförmigen Anfang und ein spiralförmiges Ende umfasst; einem Medienkanal, durch den ein Kühlmedium strömt; einen Abgaseinlasskanal, der mit dem spiralförmigen Anfang verbunden ist und das Abgas in den Spiralkanal einlässt; und einer Trennwand, die sich zwischen dem spiralförmigen Ende und dem Abgaseinlasskanal und in einer Umfangsrichtung des Turbinenrads erstreckt, wobei der Medienkanal einen Anfangsabschnitt umfasst, der einen Nebenkanal umfasst, wobei der Nebenkanal neben der Trennwand in einer Richtung einer Drehachse des Turbinenrads ist, und der Anfangsabschnitt einen Einlass umfasst, der das Kühlmedium in den Medienkanal einlässt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 1, wobei sich der Medienkanal entlang des Spiralkanals erstreckt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 2, wobei sich der Medienkanal von dem Anfangsabschnitt und in einer Strömungsrichtung des Abgases in dem Spiralabschnitt erstreckt.
Turbinengehäuse nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Medienkanal einen Endabschnitt umfasst, der einen Auslass umfasst, der das Kühlmedium aus dem Medienkanal abführt, und der Medienkanal eine Kanalquerschnittsfläche hat, die sich von dem Einlass in Richtung des Auslasses verringert.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kühlmedium ein Motorkühlmittel ist.
Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Einlass stromaufwärts des Nebenabschnitts in einer Strömungsrichtung des Kühlmediums angeordnet ist.