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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, bei der
- – sich im Turbinengehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt, und
- – das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden sind. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen der Zylinder über die Einlassöffnungen. Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen der Zylinder anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann häufig einer Radialturbine der oben genannten Art zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
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Die Herstellungskosten für die Turbine sind vergleichsweise hoch, da der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu dem für den Zylinderkopf vorzugsweise verwendeten Werkstoff; beispielweise Aluminium. Nicht nur die Werkstoffkosten als solche sind hoch, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe.
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Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es im Hinblick auf die Kosten vorteilhaft wäre, wenn eine Turbine bereitgestellt werden könnte, die aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Grauguss oder Aluminium, gefertigt werden könnte.
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Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führen kann, denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund des erforderlichen Zugangs für die Montagewerkzeuge und der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt daher bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
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Insbesondere bei mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird angestrebt, die Turbine des Abgasturboladers möglichst motornah, d.h. nahe den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Dabei kann eine weitestgehende Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf zielführend sein.
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Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine nach dem Stand der Technik mit einer Kühlung, beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, ausgestattet, welche die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe ermöglicht.
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In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses mit ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient.
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Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 257 A1 . Eine Flüssigkeitskühlung der Turbine wird dadurch ausgebildet, dass das eigentliche Turbinengehäuse mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in den Kühlmittel eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Gehäuse umfasst dann den Kühlmittelmantel.
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Die
EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Die
DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.
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Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise eingesetzten Wassers, können dem Gehäuse mittels Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen entzogen werden. Die Wärme wird im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel abgegeben und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel anschließend in einem Wärmetauscher wieder entzogen.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Flüssigkeitskühlung der Turbine mit einem separaten Wärmetauscher auszustatten oder aber – bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine – den Wärmetauscher der Motorkühlung, d.h. den Wärmetauscher einer anderen Flüssigkeitskühlung, hierfür zu nutzen. Letzteres erfordert lediglich entsprechende Verbindungen beider Kreisläufe.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40kW oder mehr betragen kann, wenn zur Herstellung des Gehäuses thermisch wenig belastbare Materialien wie Aluminium verwendet werden. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.
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Moderne Kraftfahrzeugantriebe werden zwar mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, um an den Wärmetauschern den für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderlichen Luftmassenstrom bereitzustellen. Aber ein weiterer, für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, nämlich die für den Wärmeübergang zur Verfügung gestellte Oberfläche, kann nicht beliebig groß ausgeführt bzw. vergrößert werden, da das Platzangebot im Front-End-Bereich eines Fahrzeuges, in dem ein Wärmetauscher vorzugsweise angeordnet wird, begrenzt ist.
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Neben dem Wärmetauscher für die Motorkühlung verfügen moderne Kraftfahrzeuge häufig über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen. Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um die komprimierte Ladeluft zu kühlen und eine verbesserte Füllung der Zylinder zu erzielen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird, vorzugsweise ein flüssigkeitsgekühlter Ölkühler.
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Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine umfangreiche Kühlung des rückzuführenden Abgases, d.h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, unvermeidbar machen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird. Der Klimakondensator einer Klimaanlage ist ebenfalls ein Wärmetauscher, der während des Betriebs Wärme an die Umgebung abzugeben hat, also einen ausreichend hohen Luftstrom benötigt und daher im Front-End-Bereich anzuordnen ist.
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Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
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Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung einer Turbine im Front-End-Bereich anzuordnen, um die bei der Verwendung thermisch weniger belastbarer Materialien anfallenden hohen Wärmemengen auch abführen zu können, ist de facto nicht gegeben.
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Bei der konstruktiven Auslegung einer gekühlten Turbine ist daher ein Kompromiss zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich, wobei man grundsätzlich anstrebt, die Turbine nur in dem Umfang zu kühlen, den der verwendete Werkstoff tatsächlich erfordert, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich von der Abgastemperatur mitbestimmt wird, optimal nutzen zu können.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die insbesondere hinsichtlich des Werkstoffes und der Kühlung optimiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine mit einem Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, bei der
- – sich im Turbinengehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt, und
- – das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – der mindestens eine Kühlmittelkanal durch eine Gehäusezunge, welche das Turbinengehäuse am Ende des Abgas führenden Strömungskanals ausbildet, hindurchführt.
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Erfindungsgemäß wird im Turbinengehäuse kein Kühlmittelmantel herkömmlicher Art vorgesehen, der das Laufrad vollständig einhüllt, d.h. ummantelt, sondern lediglich ein Kühlmittelkanal, der durch eine im Turbinengehäuse ausgebildete Gehäusezunge hindurchführt.
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Die Gehäusezunge, die das Ende des Abgas führenden Strömungskanals darstellt bzw. mit ausbildet und möglichst nahe an das umlaufende Laufrad heranreicht, ist der thermisch am höchsten belastete Bereich des Turbinengehäuses. Dies hat gleiche mehrere Gründe.
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Zum einen passiert das Abgas der Brennkraftmaschine die Gehäusezunge gleich zweimal, nämlich einmal beim Eintritt in das Turbinengehäuse, d.h. beim Eintritt in den sich ringförmig um das Laufrad erstreckenden Abgas führenden Strömungskanal, und ein zweites Mal beim finalen Eintritt in das rotierende Laufrad am Ende des Strömungskanals. Folglich wird die Gehäusezunge von beiden Seiten mit heißem Abgas beaufschlagt, wobei die vom Abgas in die Zunge eingebrachte Wärme mittels Wärmeleitung grundsätzlich nur über einen schmalen Steg, mit welchem die Zunge mit dem eigentlichen Turbinengehäuse verbunden ist, abgeführt werden kann. Die Zunge wird nicht nur auf beiden Seiten vom heißen Abgasstrom thermisch beansprucht, nämlich am Ende des Strömungskanals und stromaufwärts des Strömungskanals im Eintrittsbereich der Turbine, sondern auch an ihrem freien Ende, das dem Laufrad gegenüberliegt und ebenfalls mit heißen Abgas beaufschlagt ist.
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Zudem wird die Abgasströmung von der Gehäusezunge mehr oder weniger stark umgelenkt, um das Abgas auf das Laufrad zu leiten. Die Abgasströmung trifft dabei auf die Gehäusezunge und weist eine Geschwindigkeitskomponente auf, die senkrecht auf der Wandung der Zunge steht, wodurch der Wärmeübergang infolge Konvektion und folglich die thermische Belastung der Gehäusezunge erhöht wird.
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Aus den genannten Gründen ist es daher zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung vorteilhaft, den mindestens einen Kühlmittelkanal durch die Gehäusezunge hindurch zu führen.
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Eine möglichst großflächige Ummantelung des Laufrades mit Kühlmittel und damit eine möglichst umfangreiche Kühlung werden erfindungsgemäß nicht angestrebt. Vielmehr wird die Kühlleistung begrenzt, indem lediglich ein durch die Gehäusezunge hindurchführender Kühlmittelkanal zur Ausbildung einer Kühlung vorgesehen wird.
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Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große im Turbinengehäuse vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
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Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung des erfindungsgemäßen Turbinengehäuses ein entsprechender Werkstoff zu wählen, nämlich Grauguss bzw. Stahlguss oder dergleichen. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Turbinengehäuse aus Grauguss gefertigt ist.
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Einerseits ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da auch erfindungsgemäß die Turbine mit einer Kühlung ausgestattet wird, die für eine Temperaturabsenkung sorgt und die thermische Belastung des Materials vermindert.
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Andererseits ist die Kühlleistung nicht derart umfangreich dimensioniert, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden könnten.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abgeführt werden müssten.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich des Werkstoffes und der Kühlung optimiert ist.
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Die Turbine ist erfindungsgemäß als Radialturbine ausgeführt, d.h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Insofern kann die Radialturbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung.
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Um die Laufschaufeln des Laufrades radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Turbinengehäuse ein Gussteil ist. Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne lässt sich die komplexe Struktur des Gehäuses in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung des Gehäuses und die Montage erforderlich sind, um die Turbine auszubilden.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen sein, bei denen die Turbine eine zweiflutige Turbine ist, die einen Eintrittsbereich mit zwei Abgaseintrittsöffnungen und zwei Abgas führenden Strömungskanälen aufweist, wobei die Abgasleitungen der Brennkraftmaschine vorzugsweise gruppenweise mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass die Zusammenführung der Abgasströme – wenn überhaupt – stromabwärts der Turbine erfolgt. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
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Die eingesetzte Radialturbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine. Die Leitschaufeln sind stationär, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine werden im Folgenden gemäß den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich zumindest abschnittsweise parallel zur Drehachse des Laufrades erstreckt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise geradlinig verläuft.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal zumindest an einer Stelle aus dem Turbinengehäuse austritt.
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Die vorstehenden Ausführungsformen erleichtern die Ausbildung des mindestens einen Kühlmittelkanals in Rahmen einer Nachbearbeitung, beispielsweise mittels Bohren, wobei ein offenes Ende des Kanals mit einem Stöpsel verschlossen werden oder auch als Kühlmitteleintritt oder -austritt dienen kann.
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Der Kühlmittelkanal kann dabei gezielt durch thermisch besonders stark belastete Bereiche des Turbinengehäuses geführt werden, wobei die den Kanal begrenzenden Wandungen und die zum Kanal benachbarten Bereiche gekühlt werden.
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Die Kühlung kann in vorteilhafter Weise dadurch verbessert werden, dass über den Kühlmittelkanal hinweg ein Druckgefälle generiert wird, wodurch die Geschwindigkeit im Kanal erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt. Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kanal.
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Die erfindungsgemäße Radialturbine eignet sich insbesondere für eine Abgasturboaufladung, bei der die mindestens eine Radialturbine aufgrund der hohen Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet ist und daher eine Kühlung der Turbine besonders vorteilhaft ist.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Radialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Zu berücksichtigen ist, dass grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine, insbesondere die Turbine eines Abgasturboladers, möglichst nahe am Auslass der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Um dieses Ziel zu erreichen, ist es sinnvoll, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammen zu führen. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d.h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Abgasenthalpie am Turbineneintritt höher ist.
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Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Ein derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
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Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muss ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden.
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Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb Zylinderköpfe der in Rede stehenden Art vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d.h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muss die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei einem aufgeladenen Motor, wie er Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
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Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen Ausführungsformen vorteilhaft sind, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses verbunden ist. Dann müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf des Turbinengehäuses als auch für den des Zylinderkopfes verwendet werden können, was zu Synergien und erheblichen Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die im Zylinderkopf und im Gehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
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Bei Brennkraftmaschinen, die zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelkreislauf ausgestattet sind, sind grundsätzlich Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine vorteilhaft, bei denen der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine zumindest verbindbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen das Turbinengehäuse mindestens einen weiteren im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, der sich im Gehäuse zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle erstreckt und dabei vorzugsweise dem Verlauf des Abgas führenden Strömungskanals folgt, seitlich benachbart oder außen umfänglich.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine weitere Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen durch die Gehäusezunge hindurchführenden Kühlmittelkanal verbunden ist. Auf diese Weise wird ein zusammenhängendes einteiliges Kühlsystem im Turbinengehäuse ausgebildet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen die Radialturbine an einer Montagefläche mit einem Lagergehäuse verbunden ist, in welchem die drehbare Welle gelagert ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montagefläche angeordnet ist.
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Vorliegend wird die minimalistische Kühlung des Turbinengehäuses durch eine in einem Lagergehäuse vorgesehene Flüssigkeitskühlung ergänzt. Das Lagergehäuse, welches der Aufnahme der Welle des Turbinenlaufrades dient, ist an einer Montagefläche mit dem Turbinengehäuse verbunden, so dass der im Lagergehäuse benachbart und beabstandet zur Montagefläche integrierte Kühlmittelmantel auch dem Turbinengehäuse via Montagefläche Wärme entzieht.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen durch die Gehäusezunge hindurchführenden Kühlmittelkanal verbunden bzw. verbindbar ist. Der Kühlmittelmantel des Lagergehäuses kann dann via Kühlmittelkanal mit Kühlmittel versorgt werden bzw. umgekehrt, so dass keine weiteren Kühlmittelzuführöffnungen und Kühlmittelabführöffnungen vorgesehen werden müssen und auch auf weitere Kühlmittelleitungen verzichtet werden kann.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden bzw. verbindbar ist. Die Gründe sind die vorstehend Genannten.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine sein, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel sich entlang des Laufrades erstreckt und ausgerichtet ist, d.h. die Kontur des Laufrades mantelmäßig abdeckt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine weitere im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist.
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Wenn der mindestens eine weitere Kühlmittelkanal auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist, wird der Abgas führende, sich spiralförmig um das Laufrad erstreckende Strömungskanal der Turbine von beiden Seiten, d.h. von beiden Seiten des Laufrades her, gekühlt, falls das Lagergehäuse mit einer entsprechenden Kühlung ausgestattet ist.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine sein, bei denen der mindestens eine weitere Kühlmittelkanal sich umfänglich um und beabstandet zu dem Abgas führenden Strömungskanal erstreckt. Am äußeren Umfang des Strömungskanals erfolgt nämlich die Umlenkung des Abgases in Umfangsrichtung, weshalb in diesem Bereich der abgasseitigen Begrenzungswand die thermische Belastung infolge Wärmekonvektion am größten ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen in die Montagefläche des Turbinengehäuses und/oder des Lagergehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.
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Vorliegend wird mindestens eine Ausnehmung in der Montagefläche vorgesehen, die als Wärmebarriere fungiert und den direkten Wärmefluss zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse erschwert und dadurch mindert bzw. den Wärmefluss gezielt leitet, nämlich um die mindestens eine Ausnehmung herum. Über die konstruktive Ausgestaltung der mindestens einen Ausnehmung, insbesondere die Formgebung und die Anordnung, kann Einfluss genommen werden auf die Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung im Gehäuse. So können auch mehrere Ausnehmungen ringförmig um die Welle herum angeordnet werden. Die Tatsache, dass die Ausnehmung zur Montagefläche hin offen ist, vereinfacht die Ausbildung, d.h. die Fertigung der Ausnehmung, die mit dem Gehäuse im Gießverfahren oder aber später durch Nachbearbeiten ausgebildet werden kann.
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Die mindestens eine Ausnehmung führt zu einem verminderten Wärmefluss aus Gehäusebereichen, die im Schatten der Ausnehmung liegen, beispielsweise zwischen dem Abgas führenden Strömungskanal und der Ausnehmung. Gleichzeitig vergrößert sich der Wärmefluss über an der Ausnehmung vorbeiführende Stege, beispielsweise aus Gehäusebereichen, die sich auf einem äußeren Umfang umfänglich um und beabstandet zu dem Abgas führenden Strömungskanal erstrecken. Es sind genau diese Bereiche des Turbinengehäuses, die infolge der permanenten Umlenkung des Abgasstroms am äußeren Umfang des Strömungskanals thermisch besonders belastet sind.
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Das Vorsehen der mindestens einen Ausnehmung trägt auch zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung im Gehäuse bei und damit zu einem Abbau der nach dem Stand der Technik üblicherweise im Gehäuse auftretenden Temperaturgefälle, ohne dass eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen vorgesehen bzw. der Kühlmittelkanal als großflächiger Kühlmittelmantel ausgebildet werden müsste, was mit unvorteilhaft großen abzuführenden Wärmemengen verbunden wäre, die grundsätzlich als problematisch anzusehen sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen die mindestens eine Ausnehmung im Turbinengehäuse dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel – parallel zur Welle gesehen – gegenüberliegt. Parallel zur Welle gesehen bedeutet in diesem Zusammenhang in Richtung einer Parallelen der Welle gesehen.
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Die mindestens eine Ausnehmung kann im Rahmen der Montage mit Luft oder einem anderen Material gefüllt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung ausschließlich einen einzelnen durch die Gehäusezunge hindurchführenden Kühlmittelkanal aufweist. D.h. die gesamte Flüssigkeitskühlung der Turbine erschöpft sich in einem einzelnen Kanal.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine 1 in einem Schnitt senkrecht zur Welle 4 des Turbinenlaufrades 3. Die Welle 4 bildet die Drehachse 4a für das Laufrad 3 der Turbine 1.
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Die Radialturbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 2, in dem ein auf einer Welle 4 drehbar gelagertes Laufrad 3 angeordnet ist. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist das Gehäuse 2 zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet. Ausgehend von einer in einem Flansch 7 ausgebildeten Abgaseintrittsöffnung 5a durchströmt das heiße Abgas einen Strömungskanal 5, der sich spiralförmig um das Laufrad 3 erstreckt. Das Ende des Strömungskanals 5 bildet eine Gehäusezunge 2a, die vorliegend integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 2 ist und bis zum äußeren Umfang des Laufrades 3 reicht.
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Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 6 weist das Turbinengehäuse 2 einen integrierten Kühlmittelkanal 6a auf, der durch die Gehäusezunge 2a hindurchführt. Der Kühlmittelkanal 6a verläuft geradlinig und erstreckt sich parallel zur Drehachse 4a des Laufrades 3. Der Kanal 6a ist vorliegend durch Bohren in das Gehäuse 2 eingebracht worden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Gehäusezunge
- 3
- Laufrad
- 4
- Welle
- 4a
- Längsachse, Drehachse
- 5
- Abgas führender Strömungskanal
- 5a
- Abgaseintrittsöffnung
- 6
- Flüssigkeitskühlung
- 6a
- Kühlmittelkanal
- 7
- Flansch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011257 A1 [0010]
- EP 1384857 A2 [0011]
- DE 102007017973 A1 [0012]
