DE102013206245A1

DE102013206245A1 - Liquid cooled turbine

Info

Publication number: DE102013206245A1
Application number: DE102013206245.1A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhlbach; Ludwig Stump
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) mit einem Turbinengehäuse (2), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes Laufrad (3) angeordnet ist, bei der – sich im Turbinengehäuse (2) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung (5a) ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (3) erstreckt, und – das Turbinengehäuse (2) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung (6) mindestens einen im Turbinengehäuse (2) integrierten Kühlmittelkanal (6a) aufweist. Es soll eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) der vorstehenden Art bereitgestellt werden, die insbesondere hinsichtlich des Werkstoffes und der Kühlung optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – der mindestens eine Kühlmittelkanal (6a) durch eine Gehäusezunge (2a), welche das Turbinengehäuse (2) am Ende des Abgas führenden Strömungskanals (5) ausbildet, hindurchführt.The invention relates to a liquid-cooled radial turbine (1) with a turbine housing (2), in which an impeller (3) mounted on a rotatable shaft (4) is arranged, in which - starting from an exhaust gas inlet opening (5a) an exhaust gas-carrying flow channel (5) extends spirally around the impeller (3), and - the turbine housing (2) has at least one coolant channel (6a) integrated in the turbine housing (2) to form a liquid cooling (6). A liquid-cooled radial turbine (1) of the above type is to be provided, which is optimized in particular with regard to the material and the cooling. This object is achieved by a liquid-cooled radial turbine (1) of the type mentioned, which is characterized in that - the at least one coolant channel (6a) is provided by a housing tongue (2a) which the turbine housing (2) at the end of the exhaust gas-carrying flow channel (5 ) trains, leads through.

Description

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.

The invention relates to a liquid-cooled radial turbine with a turbine housing in which an impeller mounted on a rotatable shaft is arranged, in which

- In the turbine housing, starting from an exhaust gas inlet opening an exhaust gas leading flow channel spirally extends around the impeller, and
- The turbine housing to form a liquid cooling at least one integrated in the turbine housing coolant channel.

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. Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which are interconnected to form the cylinder. As part of the charge exchange, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the cylinder via the inlet openings takes place. The exhaust pipes, which connect to the outlet openings of the cylinder, are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art and are combined into a single overall exhaust gas line or a plurality of total exhaust gas lines. The combination of exhaust pipes to an overall exhaust line is referred to as exhaust manifold.

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. Downstream of the at least one manifold, the exhaust gases are then often fed to a radial turbine of the type mentioned above, for example, the turbine of an exhaust gas turbocharger, and optionally passed through one or more exhaust aftertreatment systems.

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. The manufacturing costs for the turbine are comparatively high, since the material used for the thermally highly stressed turbine housing - often nickel-containing - material is expensive, especially in comparison to the material preferably used for the cylinder head; for example aluminum. Not only are the material costs as such high, but so are the costs of machining these materials used for the turbine housing.

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. It follows from the foregoing that in terms of cost, it would be advantageous if a turbine could be provided that could be made from a less expensive material, such as gray cast iron or aluminum.

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. The use of aluminum would also be advantageous in terms of the weight of the turbine. In particular, when it is considered that a close-coupled arrangement of the turbine can lead to a relatively large-sized, voluminous housing, because the connection of the turbine and cylinder head by means of flange and screws requires due to the required access for the assembly tools and the cramped space a large turbine inlet area. The voluminous housing brings a correspondingly high weight with it. The weight advantage of aluminum over a highly resilient material therefore falls particularly clearly in a turbine arranged close to the engine due to the comparatively high use of material.

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. Particularly in the case of internal combustion engines charged by means of an exhaust gas turbocharger, the aim is for the turbine of the exhaust gas turbocharger to be as close as possible to the engine, i. close to the outlet openings of the cylinder, to be arranged in order to be able to use the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally and to ensure a rapid response of the turbocharger. In this case, a far-reaching integration of the exhaust manifold in the cylinder head can be effective.

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. In order to use more cost-effective materials for the production of the turbine, the turbine according to the prior art with a cooling, for example, with a liquid cooling, equipped, which greatly reduces the thermal load of the turbine or the turbine housing by the hot exhaust gases and thus the Use of thermally less resilient materials allows.

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. In general, the turbine housing is provided to form the cooling with a coolant jacket. Both concepts are known from the prior art, in which the housing is a casting and the coolant jacket is formed as part of the casting process as an integral part of a monolithic housing, as well as concepts in which the housing is modular, wherein in the context of Assembly, a cavity is formed, which serves as a coolant jacket.

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. A designed according to the latter concept turbine describes, for example, the German patent application DE 10 2008 011 257 A1 , A liquid cooling of the turbine is formed by the fact that the actual turbine housing is provided with a casing, so that forms a cavity between the housing and the at least one spaced-apart formwork element, can be introduced into the coolant. The casing extended by the casing then includes the coolant jacket.

Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist. The EP 1 384 857 A2 also discloses a turbine whose housing is equipped with a coolant jacket.

Die DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung. The DE 10 2007 017 973 A1 describes a kit for forming a steam-cooled turbine casing.

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. Due to the high specific heat capacity of a liquid, in particular the water usually used, the housing by means of liquid cooling large amounts of heat can be withdrawn. The heat is released inside the housing to the coolant and removed with the coolant. The heat given off to the coolant is then withdrawn from the coolant in a heat exchanger.

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. In principle, it is possible to equip the liquid cooling of the turbine with a separate heat exchanger or - in a liquid-cooled internal combustion engine - the heat exchanger of the engine cooling, i. to use the heat exchanger of another liquid cooling, for this purpose. The latter requires only appropriate connections of both circuits.

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. However, it should be considered in this connection that the amount of heat to be absorbed by the coolant in the turbine can be 40 kW or more if materials which are not very durable, such as aluminum, are used to produce the housing. The coolant to extract such a large amount of heat in the heat exchanger and dissipate by means of air flow to the environment turns out to be problematic.

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. Although modern motor vehicle drives are equipped with powerful fan motors in order to provide the air mass flow required for a sufficiently high heat transfer at the heat exchangers. But another, relevant for the heat transfer parameters, namely the surface provided for the heat transfer, can not be made arbitrarily large or enlarged, since the space in the front-end area of a vehicle in which a heat exchanger is preferably arranged, is limited.

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. In addition to the heat exchanger for engine cooling, modern motor vehicles often have other heat exchangers, in particular cooling devices. On the intake side of a supercharged internal combustion engine, a charge air cooler is often arranged to cool the compressed charge air and to achieve improved filling of the cylinders. To maintain a maximum permissible oil temperature heat release over the oil pan due to heat conduction and natural convection is often not enough, so that in individual cases an oil cooler is provided, preferably a liquid-cooled oil cooler.

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. In addition, modern internal combustion engines are increasingly being equipped with exhaust gas recirculation. The exhaust gas recirculation is a measure to counteract the formation of nitrogen oxides. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which require extensive cooling of the recirculated exhaust gas, i. a compression of the exhaust gas by cooling, make unavoidable. Other coolers can be provided, for example for cooling the transmission oil in automatic transmissions and / or for cooling hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used in the context of hydraulically actuated adjusting devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger, which has to give off heat to the environment during operation, so requires a sufficiently high air flow and therefore is to be arranged in the front-end area.

Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden. Due to the very limited space in the front-end area and the large number of heat exchangers, the individual heat exchangers can not be dimensioned according to requirements.

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. The possibility of arranging a sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of a turbine in the front-end area, in order to dissipate the resulting in the use of less thermally resilient materials high amounts of heat can be de facto not given.

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. In the constructive design of a cooled turbine, therefore, a compromise between cooling capacity and material is required, where one basically aims to cool the turbine only to the extent that actually requires the material used to in this way the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, the relevant is determined by the exhaust gas temperature to be able to use optimally.

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. Against the background of the above, it is the object of the present invention to provide a liquid-cooled radial turbine according to the preamble of claim 1, which is optimized in particular with regard to the material and the cooling.

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.

This object is achieved by a liquid-cooled radial turbine with a turbine housing in which an impeller mounted on a rotatable shaft is arranged, in which

- In the turbine housing, starting from an exhaust gas inlet opening an exhaust gas leading flow channel spirally extends around the impeller, and
The turbine housing has at least one coolant channel integrated in the turbine housing to form a liquid cooling system,

and which is characterized in that

- The at least one coolant channel passes through a housing tongue, which forms the turbine housing at the end of the exhaust gas flow channel leads.

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. According to the invention, no coolant jacket of conventional type is provided in the turbine housing which completely envelopes the impeller, i. encased, but only a coolant channel, which passes through a formed in the turbine housing housing tongue.

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. The housing tongue, which forms the end of the exhaust gas-carrying flow channel or forms with and as close as possible to the rotating impeller, is the thermally most heavily loaded area of the turbine housing. This has several reasons.

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. Firstly, the exhaust gas of the internal combustion engine passes the housing tongue twice, namely once upon entry into the turbine housing, i. upon entry into the flow passage extending annularly around the impeller, and a second time upon final entry into the rotating impeller at the end of the flow passage. Consequently, the housing tongue is acted upon from both sides with hot exhaust gas, wherein the heat introduced by the exhaust gas into the tongue by means of heat conduction basically only a narrow web, with which the tongue is connected to the actual turbine housing, can be dissipated. The tongue is thermally stressed not only on both sides of the hot exhaust stream, namely at the end of the flow channel and upstream of the flow channel in the inlet region of the turbine, but also at its free end, which is opposite to the impeller and is also acted upon with hot exhaust gas.

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. In addition, the exhaust gas flow is deflected by the housing tongue more or less strongly to direct the exhaust gas to the impeller. The exhaust gas flow impinges on the housing tongue and has a velocity component which is perpendicular to the wall of the tongue, whereby the heat transfer due to convection and consequently the thermal load of the housing tongue is increased.

Aus den genannten Gründen ist es daher zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung vorteilhaft, den mindestens einen Kühlmittelkanal durch die Gehäusezunge hindurch zu führen. For the reasons mentioned, it is therefore advantageous for the formation of a liquid cooling system to guide the at least one coolant channel through the housing tongue.

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. A possible large-scale sheathing of the impeller with coolant and thus the largest possible cooling according to the invention are not sought. Rather, the cooling capacity is limited by only one passing through the housing tongue coolant channel is provided to form a cooling.

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. By this measure, the maximum amount of heat to be dissipated is reduced or limited in an advantageous manner. This eliminates the problem of having to dissipate very large amounts of heat absorbed by the coolant in the turbine housing.

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. Corresponding to the moderate cooling capacity is to choose a corresponding material for the production of the turbine housing according to the invention, namely gray cast iron or steel casting or the like. Embodiments in which the turbine housing is made of gray cast iron are advantageous.

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. On the one hand, the concept according to the invention makes it possible to dispense with materials which are highly thermally resistant, in particular containing nickel, for producing the turbine housing, since, according to the invention, the turbine is also provided with cooling which ensures a reduction in temperature and reduces the thermal load on the material.

Andererseits ist die Kühlleistung nicht derart umfangreich dimensioniert, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden könnten. On the other hand, the cooling capacity is not dimensioned so extensive that thermally only slightly resilient materials, such as aluminum, could be used.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abgeführt werden müssten. The procedure according to the invention makes the use of expensive materials dispensable without having to dissipate excessively large amounts of heat in connection with the cooling of the turbine.

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. Thus, the object underlying the invention is achieved, namely provided a liquid-cooled radial turbine according to the preamble of claim 1, which is optimized in terms of the material and the cooling.

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. The turbine is designed according to the invention as a radial turbine, ie, the flow of the blades takes place substantially radially. In this case, essentially radial means that the velocity component in the radial direction is greater than the axial velocity component. The velocity vector of the flow intersects the shaft of the turbine at a right angle if the flow is exactly radial. In this respect, the radial turbine can also in the Mixed-flow design be carried out as long as the velocity component in the radial direction is greater than the velocity component in the axial direction.

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. In order to be able to flow radially to the rotor blades of the impeller, the inlet region for supplying the exhaust gas is frequently designed as a spiral or worm casing running around it, so that the inflow of the exhaust gas to the turbine takes place substantially radially.

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. Embodiments in which the turbine housing is a casting are advantageous. By casting and using appropriate cores, the complex structure of the housing can be formed in one operation, so that subsequently only a post-processing of the housing and the assembly are required to form the turbine.

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. Embodiments may also be advantageous in which the turbine is a twin-flow turbine having an inlet region with two exhaust gas inlet openings and two exhaust gas flow channels, wherein the exhaust pipes of the internal combustion engine are preferably connected in groups with the twin-flow turbine in such a way that the merging of the exhaust gas streams If any - downstream of the turbine. If the exhaust pipes are grouped in such a way that the high pressures, in particular the Vorlassstöße, can be obtained, a double-flow turbine is particularly suitable for a burst charge, which also high turbine pressure ratios can be achieved at low speeds.

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. The used radial turbine can be equipped with a variable turbine geometry, which allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. In this case, guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the turbine. Unlike the vanes of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine. The vanes are stationary, but not completely immobile, but rotatable about its axis, so that the flow of the blades can be influenced.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine werden im Folgenden gemäß den Unteransprüchen erörtert. Further advantageous embodiments of the liquid-cooled radial turbine are discussed below in accordance with the subclaims.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich zumindest abschnittsweise parallel zur Drehachse des Laufrades erstreckt. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant channel extends at least in sections parallel to the axis of rotation of the impeller are advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise geradlinig verläuft. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant channel runs in a straight line at least in sections are advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal zumindest an einer Stelle aus dem Turbinengehäuse austritt. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant channel emerges from the turbine housing at least at one point are advantageous.

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. The above embodiments facilitate the formation of the at least one coolant channel in the context of a post-processing, for example by drilling, wherein an open end of the channel can be closed with a plug or can serve as a coolant inlet or outlet.

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. The coolant channel can be guided in a targeted manner by regions of the turbine housing subjected to particularly high thermal stresses, wherein the walls delimiting the channel and the regions adjacent to the channel are cooled.

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. The cooling can advantageously be improved by generating a pressure gradient across the coolant channel, whereby the velocity in the channel is increased, which leads to an increased heat transfer due to convection. Such a pressure gradient also offers advantages as a driving force for conveying the coolant through the channel.

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. The radial turbine according to the invention is particularly suitable for an exhaust gas turbocharger in which the at least one radial turbine is subjected to particularly high thermal loads due to the high exhaust gas temperatures and therefore cooling of the turbine is particularly advantageous.

Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Radialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Also advantageous are embodiments in which the radial turbine is part of an exhaust gas turbocharger.

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. The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.

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. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. With the same vehicle boundary conditions can be so Shift load collective to higher loads where specific fuel consumption is lower.

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. Compared to a mechanical supercharger, the advantage of an exhaust gas turbocharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Embodiments in which the exhaust lines of the cylinders merge to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head to form at least one overall exhaust gas line are advantageous.

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. It should be noted that, in principle, the aim is to arrange the turbine, in particular the turbine of an exhaust gas turbocharger, as close as possible to the outlet of the cylinders in order to make optimum use of the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature and to ensure a fast response of the turbine or the turbocharger. Furthermore, the path of the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases are given little time to cool and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as soon as possible, especially after a cold start of the engine.

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. To achieve this goal, it makes sense to bring the exhaust pipes together to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head. First, the line volume, i. the exhaust volume of the exhaust pipes upstream of the turbine, reduced, so that the response of the turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases at the turbine inlet increases, which is why the exhaust gas enthalpy at the turbine inlet is higher.

Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. The merging of the exhaust pipes within the cylinder head also allows a dense packaging of the drive unit.

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. However, such a trained cylinder head is thermally more heavily loaded than a conventional cylinder head, which is equipped with an external manifold, and therefore makes increased demands on the cooling.

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. The heat released during combustion by the exothermic, chemical conversion of the fuel is partially dissipated via the walls delimiting the combustion chamber to the cylinder head and the cylinder block and partly via the exhaust gas flow to the adjacent components and the environment. In order to keep the thermal load of the cylinder head within limits, a part of the introduced into the cylinder head heat flow must be withdrawn from the cylinder head again.

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. Due to the much higher heat capacity of liquids compared to air can be dissipated with liquid cooling much larger amounts of heat than with air cooling, which is why cylinder heads of the type in question are advantageously equipped with a liquid cooling.

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. The liquid cooling requires the equipment of the cylinder head with at least one coolant jacket, i. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction. In this case, the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength. On the other hand, the heat does not have to be directed to the cylinder head surface, as in the case of air cooling, in order to be dissipated. The heat is already released inside the cylinder head to the coolant. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.

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. A liquid cooling proves to be particularly advantageous in a turbocharged engine, as the subject of the present invention, since the thermal load of supercharged engines compared to conventional internal combustion engines is significantly higher.

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. From the above, it follows that in supercharged internal combustion engines embodiments are advantageous in which the cylinder head is equipped to form a liquid cooling with at least one integrated in the cylinder head coolant jacket.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant jacket integrated in the cylinder head is connected to the at least one coolant channel of the turbine housing are advantageous. Then the other components and units required for the formation of a cooling circuit must basically can be provided in a single copy, since they can be used both for the cooling circuit of the turbine housing and for the cylinder head, resulting in synergies and significant cost savings, but also brings a weight saving. Thus, preferably only one pump for conveying the coolant and a container for storing the coolant are provided. The heat emitted to the coolant in the cylinder head and in the housing can be withdrawn from the coolant in a common heat exchanger.

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. In internal combustion engines, which are equipped to form a liquid cooling with a coolant circuit, in principle embodiments of the liquid-cooled radial turbine are advantageous in which the at least one integrated in the turbine housing coolant passage with the coolant circuit of the internal combustion engine is at least connectable.

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. Advantageous embodiments of the liquid-cooled radial turbine, in which the turbine housing has at least one further integrated in the turbine housing coolant channel which extends at least partially annularly around the shaft in the housing and thereby preferably the course of the exhaust gas flow channel follows, laterally adjacent or circumferentially circumferentially.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one further coolant channel is connected to the at least one coolant channel leading through the housing tongue are advantageous. In this way, a coherent one-piece cooling system is formed in the turbine housing.

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. Advantageous embodiments of the liquid-cooled radial turbine, in which the radial turbine is connected to a mounting surface with a bearing housing in which the rotatable shaft is mounted.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the bearing housing has at least one coolant jacket integrated in the bearing housing to form a cooling are advantageous.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montagefläche angeordnet ist. In this context, embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant jacket is arranged adjacent to and spaced from the mounting surface are advantageous.

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. In the present case, the minimalist cooling of the turbine housing is supplemented by a liquid provided in a bearing housing liquid cooling. The bearing housing, which serves to receive the shaft of the turbine runner, is connected to the turbine housing at a mounting surface, so that the coolant jacket integrated in the bearing housing and spaced from the mounting surface also extracts heat from the turbine housing via the mounting surface.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing is connected or connectable to the at least one coolant channel leading through the housing tongue are advantageous. The coolant jacket of the bearing housing can then be supplied via coolant channel with coolant or vice versa, so that no further Kühlmittelzuführöffnungen and Kühlmittelabführöffnungen must be provided and can be dispensed with further coolant lines.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one coolant jacket is connected or connectable to a coolant circuit of the internal combustion engine are also advantageous. The reasons are the above.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine may be advantageous in which the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing extends along the impeller and is oriented, i. covering the contour of the impeller coat.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one further coolant channel integrated in the turbine housing is arranged on the side of the rotor facing away from the bearing housing are advantageous.

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. If the at least one further coolant channel is arranged on the side of the impeller facing away from the bearing housing, the exhaust gas leading, spiraling around the impeller flow channel of the turbine from both sides, i. From both sides of the impeller, cooled, if the bearing housing is equipped with a corresponding cooling.

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. However, embodiments of the liquid-cooled radial turbine may also be advantageous in which the at least one further coolant channel extends circumferentially around and at a distance from the flow channel leading to the exhaust gas. Namely, at the outer circumference of the flow channel, the diversion of the exhaust gas takes place in the circumferential direction, which is why in this region of the exhaust side boundary wall, the thermal load due to heat convection is greatest.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen in die Montagefläche des Turbinengehäuses und/oder des Lagergehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist. Advantageously, embodiments of the liquid-cooled radial turbine, in which at least one recess is embedded in the mounting surface of the turbine housing and / or the bearing housing.

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. In the present case, at least one recess is provided in the mounting surface, which acts as a thermal barrier and impedes the direct heat flow between the bearing housing and the turbine housing and thereby reduces or specifically directs the heat flow, namely around the at least one recess. On the structural design of the at least one recess, in particular the shape and the arrangement, influence can be made on the heat flows and thus on the temperature distribution in the housing. Thus, a plurality of recesses can be arranged annularly around the shaft. The fact that the recess is open to the mounting surface simplifies the formation, i. the production of the recess, which can be formed with the housing in the casting process or later by reworking.

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. The at least one recess leads to a reduced flow of heat from housing areas that lie in the shadow of the recess, for example, between the exhaust gas flow channel and the recess. At the same time, the heat flow increases over passages leading past the recess, for example from housing areas which extend on an outer circumference circumferentially around and at a distance from the exhaust gas-carrying flow channel. It is precisely these areas of the turbine housing, which are particularly thermally stressed due to the permanent deflection of the exhaust stream at the outer periphery of the flow channel.

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. The provision of at least one recess also contributes to a homogenization of the temperature distribution in the housing and thus to a reduction of the temperature gradient usually occurring in the housing according to the prior art, without a plurality of coolant channels provided or the coolant channel would have to be designed as a large-area coolant jacket , which would be associated with unfavorably large dissipated amounts of heat, which are basically considered problematic.

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. Embodiments of the liquid-cooled radial turbine in which the at least one recess in the turbine housing faces the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing - viewed parallel to the shaft - are advantageous. Seen parallel to the shaft means in this regard in the direction of a parallell of the shaft.

Die mindestens eine Ausnehmung kann im Rahmen der Montage mit Luft oder einem anderen Material gefüllt werden. The at least one recess can be filled during assembly with air or other material.

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. Advantageously, embodiments of the liquid-cooled radial turbine, in which the turbine housing to form a liquid cooling exclusively has a single passing through the housing tongue coolant channel. That the entire liquid cooling of the turbine is exhausted in a single channel.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt: In the following the invention is based on an embodiment according to 1 described in more detail. Hereby shows:

1 eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades. 1 a first embodiment of the liquid-cooled radial turbine in a section perpendicular to the shaft of the turbine runner.

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. 1 shows a first embodiment of the liquid-cooled radial turbine 1 in a section perpendicular to the shaft 4 of the turbine runner 3 , The wave 4 forms the axis of rotation 4a for the wheel 3 the turbine 1 ,

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. The radial turbine 1 includes a turbine housing 2 in which one on a wave 4 rotatably mounted impeller 3 is arranged. To be able to flow the blades radially, the housing 2 designed to supply the exhaust gas as a completely extending spiral housing. Starting from one in a flange 7 trained exhaust gas inlet opening 5a the hot exhaust gas flows through a flow channel 5 that spirals around the wheel 3 extends. The end of the flow channel 5 forms a housing tongue 2a , the present integral part of the turbine housing 2 is and to the outer periphery of the impeller 3 enough.

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. To form a liquid cooling 6 has the turbine housing 2 an integrated coolant channel 6a on, passing through the housing tongue 2a passes. The coolant channel 6a runs in a straight line and extends parallel to the axis of rotation 4a of the impeller 3 , The channel 6a is present by drilling into the housing 2 been introduced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Radialturbine radial turbine
2 2: Turbinengehäuse turbine housing
2a 2a: Gehäusezunge housing tongue
3 3: Laufrad Wheel
4 4: Welle wave
4a 4a: Längsachse, Drehachse Longitudinal axis, axis of rotation
5 5: Abgas führender Strömungskanal Exhaust gas leading flow channel
5a 5a: Abgaseintrittsöffnung Exhaust gas inlet opening
6 6: Flüssigkeitskühlung liquid cooling
6a 6a: Kühlmittelkanal Coolant channel
7 7: Flansch flange

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008011257 A1 [0010] DE 102008011257 A1 [0010]
EP 1384857 A2 [0011] EP 1384857 A2 [0011]
DE 102007017973 A1 [0012] DE 102007017973 A1 [0012]

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) mit einem Turbinengehäuse (2), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes Laufrad (3) angeordnet ist, bei der – sich im Turbinengehäuse (2) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung (5a) ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (3) erstreckt, und – das Turbinengehäuse (2) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung (6) mindestens einen im Turbinengehäuse (2) integrierten Kühlmittelkanal (6a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der mindestens eine Kühlmittelkanal (6a) durch eine Gehäusezunge (2a), welche das Turbinengehäuse (2) am Ende des Abgas führenden Strömungskanals (5) ausbildet, hindurchführt. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) with a turbine housing ( 2 ) in which one on a rotatable shaft ( 4 ) stored impeller ( 3 ) is arranged, in which - in the turbine housing ( 2 ) starting from an exhaust gas inlet opening ( 5a ) an exhaust gas leading flow channel ( 5 ) spirally around the impeller ( 3 ), and - the turbine housing ( 2 ) for forming a liquid cooling ( 6 ) at least one in the turbine housing ( 2 ) integrated coolant channel ( 6a ), characterized in that - the at least one coolant channel ( 6a ) by a housing tongue ( 2a ), which the turbine housing ( 2 ) at the end of the exhaust gas leading flow channel ( 5 ), passes through.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (6a) sich zumindest abschnittsweise parallel zur Drehachse (4a) des Laufrades (3) erstreckt. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one coolant channel ( 6a ) at least in sections parallel to the axis of rotation ( 4a ) of the impeller ( 3 ).

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (6a) zumindest abschnittsweise geradlinig verläuft. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one coolant channel ( 6a ) at least in sections runs straight.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (6a) zumindest an einer Stelle aus dem Turbinengehäuse (2) austritt. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one coolant channel ( 6a ) at least at one point from the turbine housing ( 2 ) exit.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (1) Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine ( 1 ) Is part of an exhaust gas turbocharger.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Turbinengehäuse (2) integrierte Kühlmittelkanal (6a) mit dem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine zumindest verbindbar ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the at least one (in the turbine housing 2 ) integrated coolant channel ( 6a ) Is at least connectable to the coolant circuit of an internal combustion engine.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (2) mindestens einen weiteren im Turbinengehäuse (2) integrierten Kühlmittelkanal aufweist, der sich im Gehäuse (2) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle (4) erstreckt. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine housing ( 2 ) at least one further in the turbine housing ( 2 ) integrated coolant channel, which in the housing ( 2 ) at least in sections annularly around the shaft ( 4 ).

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen durch die Gehäusezunge (2a) hindurchführenden Kühlmittelkanal (6a) verbunden ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the at least one further coolant channel with the at least one through the housing tongue ( 2a ) passing coolant channel ( 6a ) connected is.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (1) an einer Montagefläche mit einem Lagergehäuse verbunden ist, in welchem die drehbare Welle (4) gelagert ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine ( 1 ) is connected at a mounting surface with a bearing housing, in which the rotatable shaft ( 4 ) is stored.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the bearing housing for forming a cooling at least one integrated in the bearing housing coolant jacket.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montagefläche angeordnet ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the at least one coolant jacket is arranged adjacent to and spaced from the mounting surface.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen durch die Gehäusezunge (2a) hindurchführenden Kühlmittelkanal (6a) verbunden ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to claim 10 or 11, characterized in that the at least one coolant jacket with the at least one through the housing tongue ( 2a ) passing coolant channel ( 6a ) connected is.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere im Turbinengehäuse (2) integrierte Kühlmittelkanal auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades (3) angeordnet ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to one of claims 9 to 12, characterized in that the at least one further in the turbine housing ( 2 ) integrated coolant channel on the side facing away from the bearing housing of the impeller ( 3 ) is arranged.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Montagefläche des Turbinengehäuses (2) und/oder des Lagergehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the mounting surface of the turbine housing ( 2 ) and / or the bearing housing at least one recess is recessed.

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (2) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung (6) ausschließlich einen einzelnen durch die Gehäusezunge (2a) hindurchführenden Kühlmittelkanal (6a) aufweist. Liquid-cooled radial turbine ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the turbine housing ( 2 ) for forming a liquid cooling ( 6 ) only a single through the housing tongue ( 2a ) passing coolant channel ( 6a ) having.