-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/903,431, eingereicht am 13. November 2013 mit dem Titel ”Flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse mit Zwischenkammer,” die durch Verweis hierin aufgenommen ist.
-
HINTERGRUND
-
Technisches Gebiet der Offenbarung
-
Diese Offenbarung betrifft flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse für Turbolader. Insbesondere betrifft die Offenbarung eine Zwischenkammer benachbart zu einer Flüssigkeitskühlungskammer des Turbinengehäuses.
-
Beschreibung des Stands der Technik
-
Die Vorteile der Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, niedrigeren Kraftstoffverbrauch, verringerte Schadstoffemissionen und verbesserte Ansprache bei Transienten. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr nur vom Gesichtspunkt der höheren Leistung her betrachtet, sondern als Mittel zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung durch niedrigere Kohlendioxidemissionen (CO2) gesehen. Derzeit besteht ein Hauptgrund für die Turboaufladung darin, Abgasenergie zu verwenden, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verringern. In Motoren mit Turboaufladung wird die Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie dem Motor zugeführt wird. Der Motor saugt dasselbe Volumen von Luft-Kraftstoff-Gemisch an wie ein normaler Saugmotor, aber auf Grund des höheren Drucks und damit der höheren Dichte wird eine größere Masse an Luft und Kraftstoff auf gesteuerte Weise in eine Verbrennungskammer zugeführt. In der Folge kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors relativ zur Drehzahl und zum Hubraum zunimmt.
-
Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verloren gehen würde, dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das an einer Welle montiert ist und durch den Abgasstrom drehbar angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorenen Abgasenergie in den Motor zurück, was zur Motoreffizienz beiträgt und Kraftstoff spart. Ein Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und liefert sie an den Motor. Der Kompressor umfasst ein Kompressorrad, das an derselben Welle montiert ist, so dass die Drehung des Turbinenrads auch die Drehung des Kompressorrads verursacht.
-
Turbolader umfassen typischerweise ein Turbinengehäuse, das mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist, ein Kompressorgehäuse, das mit der Einlasssammelleitung des Motors verbunden ist, und oft ein zentrales Gehäuse, das das Turbinen- und das Kompressorgehäuse miteinander koppelt. Das Turbinengehäuse definiert eine Spirale, die das Turbinenrad umgibt und Abgas von dem Motor aufnimmt. Das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird drehbar von einem gesteuert eingehenden Abgasstrom angetrieben, der von der Abgassammelleitung zugeführt wird.
-
Unter Bezugnahme auf 1 sind beispielsweise wassergekühlte Turbinengehäuse für Turbolader bekannt, wobei Wasser in eine Flüssigkeitskühlungskammer des Turbinengehäuses eintritt, um die äußere Hülle kühl zu halten, während das Motorabgas, das durch die Spirale fließt, extrem heiß ist. In einigen Konfigurationen beträgt die Abgastemperatur zum Beispiel etwa 700 Grad Celsius. Die inneren Wände, die den Auslassbereich umschließen, müssen sich auf Grund der thermischen Ausdehnung durch die hohen Umgebungstemperaturen ausdehnen können, werden aber durch den äußeren Aufbau des Kühlers daran gehindert, sich nach außen auszudehnen. Daher müssen sich die inneren Wände im Inneren (z. B. nach innen) ausdehnen, um die hohen Abgastemperaturen aufnehmen zu können.
-
Typischerweise sind enge Spielräume zwischen dem Turbinengehäuse und Turbinenrad erforderlich. Daher besteht das Risiko, dass die Ausdehnung der inneren Wände in dem Auslassbereich des Turbinengehäuses mit dem Turbinenrad, das sich mit hohen Geschwindigkeiten dreht, interferiert, z.B. zur Reibung führt. Dies kann zu beträchtlichen Schäden an dem Turbinengehäuse und dem Turbinenrad führen. 2a zeigt Bereiche der potenziellen Interferenz (Reibung) an dem Auslassbereich des Turbinengehäuses benachbart zu den Schaufeln des Turbinenrads. 2B zeigt, wie Reibungsspuren in der Auslassprofiloberfläche des Turbinengehäuses auftreten können, wenn ein Turbinenrad gegen die Oberfläche gerieben hat. In ähnlicher Weise zeigt 2C den Schaden an einem Turbinenrad, das gegen die innere Oberfläche des Turbinengehäuses gerieben hat. Sobald das Turbinenrad und das Turbinengehäuse interferieren, kann das Problem rasch eskalieren und zu gebrochenen Turbinenradschaufeln oder sogar zur Trennung des Turbinenrads von der Welle führen. Somit können Probleme durch ein Turbinenrad entstehen, das mit der Turbinengehäuse-Auslasswand eines flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses interferiert.
-
Auch kann ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse die thermische Effizienz verringern. Relativ kühle Flüssigkeit, die direkt mit der heißen inneren Spiralenwand in Kontakt steht, kann die thermische Effizienz verringern, da die Abgaswärmeenergie in die Flüssigkeit abgeführt wird.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Diese Offenbarung betrifft Turbolader mit flüssigkeitsgekühltem Turbinengehäuse mit einer Zwischenkammer, wie etwa einer zusätzlichen Abgaskammer benachbart zu der Flüssigkeitskammer des Turbinengehäuses. Eine solche Zwischenkammer isoliert die heiße Spirale von der relativ kühlen Flüssigkeitskammer.
-
Somit kann das Turbinengehäuse mit einer Zwischenkammer benachbart zu der Flüssigkeitskammer Probleme mit thermischen Belastungen ansprechen, die innerhalb des Turbinengehäuses induziert werden, die den Auslassbereich veranlassen können, sich zusammenzuziehen, anstatt sich mit den hohen Abgastemperaturen auszudehnen, sowie auch alle übrigen Fehler durch den Kontakt zwischen dem Turbinenrad und der Turbinengehäuse-Auslasswand.
-
Auch kann das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse mit einer Zwischenkammer benachbart zu der Flüssigkeitskammer die Effizienz der Turbinenstufe verbessern, indem die Abgaswärmeenergie daran gehindert wird, in die Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer abgeführt zu werden. Relativ kühle Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer steht nicht mit der ganzen oder einem Teil der heißen inneren Spiralenwand in Kontakt, so dass die thermische Effizienz nicht durch Abführen der Abgaswärmeenergie in die Flüssigkeit verloren geht.
-
Zusammenfassend schließen die Vorteile eines Turbinengehäuses mit einer Zwischenkammer zwischen der Flüssigkeitskammer und dem Auslassbereich des Turbinengehäuses verringerte thermische Belastung und eine verbesserte thermische Effizienz ein.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden deutlich werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich gemacht wird. In diesen zeigt:
-
1 eine Querschnittsansicht der Turbinenseite eines Turboladers mit einem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse nach dem Stand der Technik;
-
2A ist ein Beispiel eines Querschnitts eines flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses nach dem Stand der Technik und zeigt den Schaden an der Auslassprofiloberfläche, nachdem ein Turbinenrad an der Oberfläche gerieben hat;
-
2B ist ein vergrößerter Abschnitt des Turbinengehäuses von 2A;
-
2C ist ein Beispiel für typische Schäden an einem Turbinenrad, das an der inneren Oberfläche des Turbinengehäuses gerieben hat;
-
3 ist eine Querschnittsansicht eines flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses, umfassend eine Zwischenkammer benachbart zu der Flüssigkeitskammer, die die Spiralenwand vollständig umschließt, und einen optionalen Durchgang umfasst, der Abgas in die Zwischenkammer lässt;
-
4 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses mit einer Zwischenkammer benachbart zu der Flüssigkeitskammer, die die Spiralenkernwand vollständig umgibt und einen optionalen Durchgang umfasst, der Luft in die Zwischenkammer lässt;
-
5 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses mit einer Zwischenkammer, die zum Teil die Spirale umschließt; und
-
6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses mit einer Zwischenkammer, die zum Teil die Spirale umschließt, mit einem einfachen Gussteil.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Unter Bezugnahme auf 3 umfasst ein Turbolader 10 ein Kompressorrad (nicht dargestellt) in einem Kompressorgehäuse (nicht dargestellt), das drehbar über eine drehbare Welle 14 durch ein Turbinenrad 16 in einem Turbinengehäuse 12 angetrieben wird. Das Turbinengehäuse 12 ist ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 12 und umfasst einen Abgaseinlass (nicht dargestellt), der dazu ausgebildet ist, mit einer Abgassammelleitung eines Motors verbunden zu werden. Das Turbinengehäuse 12 umfasst einen Abgasauslass (z. B. einen Auslass) 24, und eine Spirale 18. Die Spirale 18 definiert eine Hauptkammer, die das Turbinenrad 16 umgibt, und leitet heißes Abgas zu den Schaufeln des Turbinenrads 16 hin. Das Turbinengehäuse 12 umfasst des Weiteren eine äußere Hülle 22. Eine Flüssigkeitskammer 20, zum Beispiel ein Wasserkern, ist zwischen der äußeren Hülle 22 und einer Innenwand 36 definiert, die einen Wandabschnitt 32 umfasst, der die Spirale 18 bildet, sowie einen Wandabschnitt 34, der den Auslass 24 bildet. Somit ist die Flüssigkeitskammer 20 benachbart zu einer äußeren Hülle 22 des Turbinengehäuses 12.
-
Der Turbolader 10 mit einem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 12 weist eine Zwischenkammer 30 auf, die zwischen der Flüssigkeitskammer 20 und der Innenwand 36 angeordnet ist, umfassend den Auslasswandabschnitt 34 und den Spiralenwandabschnitt 32. Der Turbinengehäuse-Auslassbereich ist vorzugsweise vollständig benachbart zu der Zwischenkammer 30, um die thermische Ausdehnung des Auslasswandabschnitts 34 steuern und thermische Belastungen innerhalb des Turbinengehäuses 12 minimieren zu helfen. Die Zwischenkammer 30 umschließt die Spirale 18 vollständig. Die Zwischenkammer 30 trennt und isoliert die gesamte heiße Spirale 18 (mit heißem Abgas) vollständig von der relativ kühlen Flüssigkeitskammer 20, was die Effizienz der Turbinenstufe verbessern kann, indem die Abgaswärmeenergie davon abgehalten wird, in die Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 20 abgeleitet zu werden. Relativ kühle Flüssigkeit der Flüssigkeitskammer 20 steht nicht mit dem Spiralenwandabschnitt 32 in Kontakt, so dass keine thermische Effizienz durch das Ableiten von Abgaswärmeenergie in die Flüssigkeit verloren geht. Dies verbessert die Turbineneffizienz, da die Turbinenabgase auf der höchstmöglichen Temperatur bleiben, bevor sie in das Turbinenrad 16 eintreten.
-
Die Zwischenkammer 30 kann wie in 3 optional einen Durchgang 40 durch den Auslasswandabschnitt 34 aufweisen, der Abgas in die Zwischenkammer 30 einlässt. Der Abgasdurchgang 40 kann ein Schlitz 42 durch den Auslasswandabschnitt 34 sein, oder kann sich alternativ um den Umfang des Auslasswandabschnitts 34 herum erstrecken, um einen Strom von Abgas in die Zwischenkammer 30 einzulassen. Der Schlitz 42, entweder ganz oder vollständig um den Auslasswandabschnitt 34 herum, kann die Steifigkeit des Spiralenwandabschnitts 32 verringern und kann die Temperatur in der Zwischenkammer 30 erhöhen. Der Spiralenwandabschnitt 32 kann sich dann je nach Bedarf ausdehnen und zusammenziehen, und die thermischen Belastungen in dem Auslasswandabschnitt 34, der das Turbinenrad 16 direkt umschließt, werden verringert. Die Konfiguration minimiert daher die thermische Ausdehnung des Turbinengehäuse-Auslasswandabschnittes 34 nach innen.
-
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein alternativer Turbolader 100 dem oben in Bezug auf 3 beschriebenen Turbolader 10 ähnlich, und gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Der Turbolader 100 umfasst ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 112 mit einer Zwischenkammer 30 benachbart zu der Flüssigkeitskammer 20. Die Zwischenkammer 36 ist zwischen der Flüssigkeitskammer 34 und der Innenwand 32 angeordnet, umfassend den Auslasswandabschnitt 18 und den Spiralenwandabschnitt 18, und umschließt vollständig die Spirale 18. Der Turbolader 100 umfasst einen Durchgang 140 durch die Außenwand des Turbinengehäuses 112, der Luft in die Zwischenkammer 30 einlässt. Der Durchgang 140, der durch das Turbinengehäuse 112 verläuft, dient als ein Lufteinlass und lässt einen Strom von Umgebungsluft als Zwischengas in die Zwischenkammer 30 zwischen der Flüssigkeitskammer 20 und der Spirale 18 ein.
-
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein weiterer alternativer Turbolader 200 dem oben in Bezug auf 3 beschriebenen Turbolader 10 ähnlich, und gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Der Turbolader 200 umfasst ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 212 mit einer Zwischenkammer 230 benachbart zu der Flüssigkeitskammer 20. Die Zwischenkammer 230 umschließt die Spirale 18 zum Teil und ist zwischen der Flüssigkeitskammer 20 und dem Auslasswandabschnitt 34 und zumindest einem Abschnitt 32a des Spiralenwandabschnitts 32 angeordnet. Die Zwischenkammer 230 isoliert einen Abschnitt der Spirale 18 von der Flüssigkeitskammer 20, aber die Zwischenkammer 230 umschließt nur zum Teil den Spiralenwandabschnitt 32.
-
Die Konfiguration von 5 kann auf Grund der verringerten Komplexität der Kernkonstruktion einfacher in der Herstellung sein als einige der zuvor beschriebenen Ausführungsformen; diese Konfiguration ist jedoch nicht gleich thermisch effizient, da die Kühlflüssigkeit direkt mit dem Spiralenwandabschnitt 32 in Kontakt steht. Während ein Sandkern in einem geschlossenen Zwischenkern der Zwischenkammer 230 intakt gehalten werden könnte, kann es wünschenswert sein, stromabwärts der Position des Turbinenrads 16 entweder zum Teil oder vollständig um den Auslasswandabschnitt 34 herum einen Schlitz oder Durchgang 40 maschinell einzubringen, um die Steifigkeit des Spiralenwandabschnitts 32 zu verringern und die Temperatur in der Zwischenkammer 230 zu erhöhen. Diese Konfiguration zielt primär darauf ab, sicherzustellen, dass das Turbinenrad 16 nicht mit dem Auslasswandabschnitt 34 des Turbinengehäuses interferiert, während sie weniger die verringerte thermische Effizienz betrifft.
-
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein weiterer alternativer Turbolader 300 dem oben in Bezug auf 3 beschriebenen Turbolader 10 ähnlich, und gleiche Bezugszeichen werden verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Der Turbolader 300 umfasst ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 312 mit einer Zwischenkammer 330, die zum Teil die Spirale 18 mit einem weniger komplexen Gussteil umgibt. Dies erlaubt ein einfacheres Entsanden nach dem Gießen der Teile. Diese Zwischenkammer 330 kann in einen Abgaskern mit einem im Wesentlichen offenen Durchgang 340 integriert sein. Die Zwischenkammer 330, die zu dem Abgaskern hin weitgehend offen ist, erzeugt immer noch den ausdehnbaren ringförmigen Auslasswandabschnitt 334. Ein optional umlaufender Durchgang 344 erstreckt sich vollständig um den Auslasswandabschnitt 334 herum. Der umlaufende Durchgang 344 ist stromabwärts des Turbinenrads 16 angeordnet und lässt Abgas in die Zwischenkammer 330 ein. Der umlaufende Durchgang 344 kann die Temperatur in der Zwischenkammer 30 erhöhen.
-
Die Bildung von Kernen in Gussteilen und die Kosten des Gießens können ebenso die Ausführungsform diktieren wie die Vorteile der verringerten thermischen Belastung und der verbesserten thermischen Effizienz. Für komplexere Kerne könnte der Sandzwischenkern in dem Gussteil intakt gehalten werden, oder ein Dünnschichtkeramikeinsatz oder ein anderer Einsatz könnten während des Gießvorgangs in der Form verwendet werden. In allen offenbarten Gussteilen trennt die Zwischenkammer 30 den Auslasswandabschnitt 34 von der Flüssigkeitskammer 20.
-
Die Erfindung wird hier rein zur Veranschaulichung beschrieben, und es ist klar, dass die verwendete Terminologie als beschreibender Wortlaut und keinesfalls einschränkend verstanden werden soll. Im Licht der oben angeführten Lehren sind verschiedene Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher sollte klar sein, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche auf andere Weise praktisch umgesetzt werden kann, als dies in der Beschreibung angeführt wurde.
