DE202015007276U1 - Exhaust gas turbocharger with air-cooled housing - Google Patents
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Abstract
Abgasturbolader (1), umfassend • ein Gehäuse (9) mit einem Verdichterabschnitt (10), einem Turbinenabschnitt (11) und einem Lagerabschnitt (12), • einen Verdichter (3) mit einem im Verdichterabschnitt (10) angeordneten Verdichterrad (13), • eine Turbine (4) mit einem im Turbinenabschnitt (11) angeordneten Turbinenrad (14), • eine im Lagerabschnitt (12) gelagerte Welle (15), wobei die Welle (15) das Turbinenrad (14) mit dem Verdichterrad (13) verbindet, und • eine Kühlstruktur (8) mit zumindest einem Kühlkanal und/oder einer Kühlkammer, die zumindest im Turbinenabschnitt (11) des Gehäuses (9) ausgebildet ist, • wobei vom Verdichter (3) verdichtete Luft abzweigbar und in die Kühlstruktur (8) einleitbar ist.Exhaust gas turbocharger (1), comprising • a housing (9) with a compressor section (10), a turbine section (11) and a bearing section (12), • a compressor (3) with a compressor wheel (13) arranged in the compressor section (10), A turbine (4) with a turbine wheel (14) arranged in the turbine section (11), a shaft (15) mounted in the bearing section (12), the shaft (15) connecting the turbine wheel (14) to the compressor wheel (13) , and • a cooling structure (8) with at least one cooling channel and / or a cooling chamber, which is formed at least in the turbine section (11) of the housing (9), • wherein compressed air from the compressor (3) can be branched off and into the cooling structure (8) can be introduced.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader der in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt.The invention relates to an exhaust gas turbocharger which is used in conjunction with an internal combustion engine.
Abgasturbolader an Verbrennungsmotoren werden dazu verwendet, um mit dem Abgas des Verbrennungsmotors eine Turbine anzutreiben. Die Turbine wiederum verdichtet über einen Verdichter die Ladeluft des Verbrennungsmotors. Durch den Kontakt mit dem Abgas ist der Turbolader sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Dementsprechend müssen relativ hochwertige Materialien für das Gehäuse und die weiteren Bauteile des Abgasturboladers verwendet werden. Je nach Konstruktion und Anwendungsfall ist auch eine Kühlung bestimmter Komponenten sinnvoll.Exhaust gas turbochargers on internal combustion engines are used to drive a turbine with the exhaust gas of the internal combustion engine. The turbine in turn compresses the charge air of the internal combustion engine via a compressor. Contact with the exhaust gas exposes the turbocharger to very high temperatures. Accordingly, relatively high-quality materials must be used for the housing and the other components of the exhaust gas turbocharger. Depending on the design and application, cooling of certain components also makes sense.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Abgasturbolader anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und wartungsarmen Betrieb dauerhaft eingesetzt werden kann. Insbesondere soll der Abgasturbolader eine optimierte Kühlung aufweisen, sodass, insbesondere für das Gehäuse, kostengünstige und in der Herstellung einfach zu handhabende Materialien verwendet werden können.It is an object of the invention to provide an exhaust gas turbocharger that can be used permanently with cost-effective production and low-maintenance operation. In particular, the exhaust gas turbocharger should have optimized cooling, so that, in particular for the housing, inexpensive and easy to use in the production materials can be used.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.The solution of this object is achieved by the features of
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader. Der Abgasturbolader wird an einem Verbrennungsmotor verwendet. Insbesondere kommt der Abgasturbolader in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz. Der Abgasturbolader umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse wiederum kann unterteilt werden in einen Verdichterabschnitt, einen Turbinenabschnitt und einen Lagerabschnitt. Die einzelnen Abschnitte des Gehäuses können separat, beispielsweise durch einzelne Güsse gefertigt sein. Ferner ist es auch vorgesehen zwei oder alle drei Abschnitte einteilig zu fertigen. Im Folgenden wird eine sehr effektive Kühlung des Gehäuses, insbesondere des Turbinenabschnitts beschrieben. Aufgrund dieser Kühlung kann für das Gehäuse und weitere Bestandteile des Abgasturboladers ein relativ kostengünstiges und gut zu handhabendes Metall gewählt werden.Thus, the object is achieved by an exhaust gas turbocharger according to the invention. The exhaust gas turbocharger is used on an internal combustion engine. In particular, the exhaust gas turbocharger is used in a motor vehicle. The exhaust gas turbocharger comprises a housing. The housing in turn can be subdivided into a compressor section, a turbine section and a bearing section. The individual sections of the housing can be made separately, for example by individual casts. Furthermore, it is also intended to manufacture two or all three sections in one piece. In the following, a very effective cooling of the housing, in particular of the turbine section will be described. Because of this cooling, a relatively inexpensive and easy to handle metal can be selected for the housing and other components of the exhaust gas turbocharger.
Der Abgasturbolader umfasst ferner einen Verdichter. Der Verdichter umfasst den Verdichterabschnitt des Gehäuses und ein im Verdichterabschnitt angeordnetes Verdichterrad. Des weiteren ist eine Turbine vorgesehen. Die Turbine umfasst den Turbinenabschnitt des Gehäuses und ein darin angeordneten Turbinenrad.The exhaust gas turbocharger further includes a compressor. The compressor comprises the compressor section of the housing and a compressor wheel arranged in the compressor section. Furthermore, a turbine is provided. The turbine includes the turbine section of the housing and a turbine wheel disposed therein.
Zwischen dem Verdichterabschnitt und dem Turbinenabschnitt befindet sich der Lagerabschnitt des Gehäuses. In diesem Lagerabschnitt ist eine Welle drehbeweglich gelagert. Die beiden Enden der Welle sind mit dem Turbinenrad und dem Verdichterrad drehfest verbunden. Durch Anströmen des Turbinenrades mit dem Abgas des Verbrennungsmotors werden das Turbinenrad, die Welle und das Verdichterrad in Rotation versetzt. Dadurch kann im Verdichter Luft für den Verbrennungsmotor verdichtet werden.Between the compressor section and the turbine section is the bearing portion of the housing. In this bearing section, a shaft is rotatably mounted. The two ends of the shaft are rotatably connected to the turbine wheel and the compressor wheel. By impingement of the turbine wheel with the exhaust gas of the internal combustion engine, the turbine wheel, the shaft and the compressor wheel are set in rotation. As a result, air can be compressed in the compressor for the internal combustion engine.
In dem Gehäuse ist eine Kühlstruktur ausgebildet. Diese Kühlstruktur umfasst zumindest einen Kühlkanal und/oder zumindest eine Kühlkammer. Des weiteren kann die Kühlstruktur Zwischenwände oder Stege umfassen die mehrere Kühlkanäle oder Kühlkammern voneinander abtrennen oder zur Führung der Luft in der Kühlstruktur verwendet werden. Insbesondere ist das Gehäuse zumindest stellenweise doppelwandig ausgebildet um diese Kühlstruktur darzustellen. Zumindest ein Teil der Kühlstruktur ist im Turbinenabschnitt des Gehäuses vorgesehen, da hier die größten Temperaturen auftreten.In the housing, a cooling structure is formed. This cooling structure comprises at least one cooling channel and / or at least one cooling chamber. Furthermore, the cooling structure may comprise partitions or webs which separate a plurality of cooling channels or cooling chambers from each other or be used to guide the air in the cooling structure. In particular, the housing is formed at least in places double-walled to represent this cooling structure. At least part of the cooling structure is provided in the turbine section of the housing, since the greatest temperatures occur here.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vom Verdichter verdichtete Luft abgezweigt und in die Kühlstruktur eingeleitet wird. Es erfolgt somit eine Luftkühlung. Dabei ist kein separater Kompressor notwendig, sondern es wird die vom Verdichter verdichtete Luft verwendet.According to the invention, it is provided that compressed air is branched off from the compressor and introduced into the cooling structure. There is thus an air cooling. In this case, no separate compressor is necessary, but it is used compressed air from the compressor.
Bevorzugt ist eine Zuluftführung ausgebildet. Die Zuluftführung zweigt stromab des Verdichterrades ab und führte die verdichtete Luft in die Kühlstruktur. Die Zuluftführung ist im Gehäuse integriert und/oder als separates Bauteil außerhalb des Gehäuses angeordnet. Dabei ist es auch möglich, einen Abschnitt der Zuluftführung im Gehäuse zu integrieren und einen weiteren Abschnitt der Zuluftführung außerhalb des Gehäuses als separates Bauteil vorzusehen.Preferably, a supply air guide is formed. The supply air duct branches off downstream of the compressor wheel and guides the compressed air into the cooling structure. The supply air guide is integrated in the housing and / or arranged as a separate component outside of the housing. It is also possible to integrate a section of the supply air duct in the housing and to provide a further section of the supply air duct outside the housing as a separate component.
Bei der Integration der Zuluftführung in das Gehäuse sind im Gehäuse freie Räume ausgebildet, die zur Führung der Zuluft genutzt werden. Diese freien Räume führen dabei insbesondere durch den Verdichterabschnitt und/oder den Lagerabschnitt. Dabei kommt es zumindest teilweise auch zu einer Kühlung des Verdichterabschnitts bzw. Lagerabschnitts.When integrating the supply air guide in the housing free spaces are formed in the housing, which are used to guide the supply air. These free spaces lead in particular through the compressor section and / or the storage section. It also comes at least partially to a cooling of the compressor section or bearing section.
Für die Abzweigung der Zuluftführung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abzweigung im Verdichterabschnitt des Gehäuses ausgebildet ist.There are different possibilities for the branching of the supply air duct: it is preferably provided that the branch is formed in the compressor section of the housing.
Dabei zweigt die Zuluftführung insbesondere an einem Verdichterflansch oder stromauf des Verdichterflansches ab. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau und es bedarf keiner zusätzlichen Bauteile.In this case, the supply air duct branches off, in particular, on a compressor flange or upstream of the compressor flange. This results in a very compact design and it requires no additional components.
Alternativ dazu kann die Zuluftführung auch nach dem Verdichterabschnitt des Gehäuses abzweigen. Hierzu wird eine entsprechende Abzweigung in die Luftführung zwischen Abgasturbolader und Verbrennungsmotor integriert.Alternatively, the supply air duct can branch off after the compressor section of the housing. For this purpose, a corresponding diversion is integrated into the air duct between the exhaust gas turbocharger and the internal combustion engine.
Ferner ist bevorzugt eine Abluftführung vorgesehen, die aus der Kühlstruktur die erwärmte Kühlluft abführt. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Abluftführung in den Abgasstrang mündet. Dadurch ergibt sich der besondere Vorteil eines erhöhten Sauerstoffgehaltes im Abgas. Dies wiederum führt zu Vorteilen in Dieselpartikelfiltern und Katalysatoren.Furthermore, an exhaust air duct is preferably provided, which discharges the heated cooling air from the cooling structure. Particularly preferably, it is provided that the exhaust air duct opens into the exhaust system. This results in the particular advantage of an increased oxygen content in the exhaust gas. This in turn leads to advantages in diesel particulate filters and catalysts.
Besonders bevorzugt mündet die Abluftführung stromab des Turbinenrades in den Abgasstrang. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Abluftführung im Turbinenabschnitt des Gehäuses mündet. Dadurch ergibt sich wiederum ein sehr kompakter Aufbau, da die Abluftführung innerhalb des Abgasturbolader ausgebildet werden kann. Alternativ dazu ist es auch möglich, die Abluftführung stromab des Abgasturboladers in den Abgasstrang münden zu lassen.Particularly preferably, the exhaust air duct opens downstream of the turbine wheel in the exhaust system. It is provided in particular that the exhaust air duct opens into the turbine section of the housing. This in turn results in a very compact design, since the exhaust air duct can be formed within the exhaust gas turbocharger. Alternatively, it is also possible to let open the exhaust duct downstream of the exhaust gas turbocharger in the exhaust system.
Der Turbinenabschnitt des Gehäuses umfasst üblicherweise einen Volutenabschnitt. Der Volutenabschnitt erstreckt sich radial außerhalb des Turbinenrades. In dem Volutenabschnitt ist zumindest eine Flut ausgebildet. Durch diese Flut wird das Abgas radial auf das Turbinenrad geleitet. Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlstruktur zumindest teilweise in diesem Volutenabschnitt ausgebildet ist. Insbesondere dieser Volutenabschnitt ist durch die hohe Temperatur des Abgase belastet und wird vorteilhafterweise gekühlt.The turbine section of the housing usually comprises a volute section. The volute section extends radially outside the turbine wheel. At least one tide is formed in the volute section. Due to this flood, the exhaust gas is directed radially onto the turbine wheel. In the context of the invention, it is preferably provided that the cooling structure is formed at least partially in this volute section. In particular, this volute section is burdened by the high temperature of the exhaust gases and is advantageously cooled.
Zur Beschreibung der Ausgestaltung der Kühlstruktur im Volutenabschnitt ist eine erste Ebene definiert. Diese erste Ebene steht senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgase in der Flut. In der ersten Ebene ist der Volutenabschnitt üblicherweise kreisförmig oder oval. Für eine bestmögliche Kühlung erstreckt sich die Kühlstruktur bei Betrachtung in der ersten Ebene über bis zu 360° des Volutenabschnitts. Aus fertigungstechnischen Gründen ist es jedoch nicht bei jeder Konstruktion möglich, die Kühlstruktur so groß auszugestalten. Versuche und Berechnungen haben ergeben, dass die Kühlstruktur in der ersten Ebene, an zumindest einer Stelle des Volutenabschnitts, sich vorzugsweise über zumindest 45° erstrecken sollte. Besonders vorzugsweise beträgt der Winkel zumindest 90°, insbesondere zumindest 180°.To describe the configuration of the cooling structure in the volute section, a first plane is defined. This first plane is perpendicular to the flow direction of the exhaust gases in the flood. In the first plane, the volute section is usually circular or oval. For best possible cooling, the cooling structure when viewed in the first plane extends over up to 360 ° of the volute section. For manufacturing reasons, however, it is not possible in every construction to make the cooling structure so large. Tests and calculations have shown that the cooling structure in the first plane, at least at one point of the volute section, should preferably extend over at least 45 °. Particularly preferably, the angle is at least 90 °, in particular at least 180 °.
Insbesondere am Anfang des Volutenabschnitts, nahe am Turbinenflansch, kann die Kühlstruktur auch über 360° ausgebildet sein, da sich in diesem Bereich die Flut noch nicht radial zum Turbinenrad öffnet.In particular at the beginning of the volute section, close to the turbine flange, the cooling structure can also be formed over 360 °, since in this area the flood does not yet open radially to the turbine wheel.
Für eine weitere Beschreibung der Ausgestaltung der Kühlstruktur ist eine zweite Ebene definiert. Diese steht senkrecht zur Welle und verläuft durch den Volutenabschnitt. Auch in der zweiten Ebene sollte sich die Kühlstruktur möglichst weit über den Volutenabschnitt erstrecken, um ein optimales Kühlergebnis zu erzielen. Aus fertigungstechnischen Überlegungen kann aber auch hier wieder eine Begrenzung der Kühlstruktur notwendig sein. So ist bevorzugt vorgesehen, dass sich in der zweiten Ebene die Kühlstruktur über zumindest 20°, vorzugsweise zumindest 40°, besonders vorzugsweise zumindest 80° des Volutenabschnitts erstreckt.For a further description of the design of the cooling structure, a second level is defined. This is perpendicular to the shaft and passes through the Volutenabschnitt. Also in the second level, the cooling structure should extend as far as possible over the volute section in order to achieve an optimum cooling result. For technical reasons, however, a limitation of the cooling structure may be necessary here as well. Thus, it is preferably provided that extends in the second plane, the cooling structure over at least 20 °, preferably at least 40 °, more preferably at least 80 ° of the volute section.
Bevorzugt ist ein passives oder aktives Stellelement zum Einstellen der vom Verdichter abgezweigten Luftmenge vorgesehen. Dieses Stellelement befindet sich insbesondere in oder an der Zuluftführung. Als passives Stellelement sind insbesondere eine Düse oder ein Ventil vorgesehen. Als aktive Stellelemente können ansteuerbare Ventile, insbesondere mit elektrischen, elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Aktuatoren verwendet werden.Preferably, a passive or active actuator for adjusting the branched off from the compressor air quantity is provided. This actuator is located in particular in or on the supply air. As a passive actuator, in particular a nozzle or a valve are provided. As active control elements controllable valves, in particular with electrical, electromagnetic, hydraulic or pneumatic actuators can be used.
Radial innerhalb des Volutenabschnitts weist der Turbinenabschnitt des Gehäuses üblicherweise einen Rückwandabschnitt auf. Diese Rückwandabschnitt steht dem Turbinenrad direkt gegenüber. Die erfindungsgemäße Kühlstruktur kann auch zumindest stellenweise in diesem Rückwandabschnitt ausgebildet sein.Radially within the volute section, the turbine section of the housing usually has a rear wall section. This rear wall section is directly opposite the turbine wheel. The cooling structure according to the invention can also be formed at least in places in this rear wall section.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further details, advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele eines Abgasturbolader
Gemäß
Der Verdichter
In rein schematische Darstellung zeigt
Der Abgasturbolader
Der Verdichter
Radial außerhalb des Turbinenrades
Insbesondere der Volutenabschnitt
Die Kühlstruktur
Im ersten Ausführungsbeispiel gemäß
In beiden Ausführungsbeispielen ist ein Stellelement
Beide Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Kühlstruktur
Unabhängig von der Positionierung der Zuluftführung
Der Verdichter
Anhand von
Des weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlstruktur
Die Abzweigung der Zuluftführung
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abgasturboladerturbocharger
- 22
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 33
- Verdichtercompressor
- 44
- Turbineturbine
- 55
- Luftair
- 66
- Abgasexhaust
- 77
- Kühlluftcooling air
- 88th
- Kühlstrukturcooling structure
- 99
- Gehäusecasing
- 1010
- Verdichterabschnittcompressor section
- 1111
- Turbinenabschnittturbine section
- 1212
- Lagerabschnittbearing section
- 1313
- Verdichterradcompressor
- 1414
- Turbinenradturbine
- 1515
- Wellewave
- 1616
- Zuluftführungsupply air
- 1717
- Abluftführungexhaust air
- 1818
- Volutenabschnittscroll portion
- 1919
- RückwandabschnittRear wall portion
- 2020
- Stellelementactuator
- 2121
- Turbinenflanschturbine flange
- 2222
- VerdichterflanschVerdichterflansch
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Cited By (1)
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US20230021590A1 (en) * | 2021-07-26 | 2023-01-26 | Volvo Truck Corporation | Internal combustion engine system |
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2015
- 2015-10-20 DE DE202015007276.3U patent/DE202015007276U1/en not_active Expired - Lifetime
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R207 | Utility model specification | ||
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