DE202013100884U1

DE202013100884U1 - Flüssigkeitsgekühlte Turbine mit Lagergehäuse

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Publication number: DE202013100884U1
Application number: DE201320100884
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2023-03-02

Abstract

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2), die mit einem Lagergehäuse (3a) verbunden ist, bei der – die Radialturbine (2) ein Turbinengehäuse (2a), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4a) gelagertes Laufrad (4) angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse (2a) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (4) erstreckt, – das Lagergehäuse (3a), welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle (4a) dient, an einer quer zur Welle (4a) verlaufenden Montage-Flanschfläche (6a) mit dem Turbinengehäuse (2a) verbunden ist, und – das Turbinengehäuse (2a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse (2a) integrierten Kühlmittelkanal (2b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich im Gehäuse (2a) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle (4a) erstreckt und auf der dem Lagergehäuse (3a) abgewandten Seite des Laufrades (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Lagergehäuse (3a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im...

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine, die mit einem Lagergehäuse verbunden ist, bei der

– die Radialturbine ein Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt,
– das Lagergehäuse, welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle dient, an einer quer zur Welle verlaufenden Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, und
– das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Gehäuse zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle erstreckt und auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist.

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. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane, beispielsweise Hubventile, und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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.
Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann häufig einer Radialturbine zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
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 an sich sind vergleichsweise hoch, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es im Hinblick auf die Kosten überaus vorteilhaft wäre, wenn eine Turbine bereitgestellt werden könnte, die aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Grauguss oder Aluminium, gefertigt werden könnte.
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 führt. Denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich; auch aufgrund des erforderlichen Zugangs für die Montagewerkzeuge. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
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 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.
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.
Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Die DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.
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 in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40 kW 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.
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, wo die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen. Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird.
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.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich anzuordnen, um die bei Verwendung thermisch wenig belastbarer Materialien anfallenden hohen Wärmemengen auch abführen zu können, ist de facto nicht gegeben.
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.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Werkstoffes und der Kühlung optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine, die mit einem Lagergehäuse verbunden ist, bei der

– die Radialturbine ein Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt,
– das Lagergehäuse, welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle dient, an einer quer zur Welle verlaufenden Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, und
– das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Gehäuse zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle erstreckt und auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist,

– das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche in einem die Montage-Flanschfläche aufnehmenden und ausbildenden Flansch angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird im Turbinengehäuse kein Kühlmittelmantel vorgesehen, der das Laufrad vollständig einhüllt, d. h. ummantelt, sondern lediglich ein Kühlmittelkanal, der sich im Gehäuse – zumindest abschnittsweise – ringförmig um die Welle erstreckt.
Ergänzt wird diese minimalistische Kühlung des Turbinengehäuses durch eine in einem Lagergehäuse vorgesehene Flüssigkeitskühlung. Das Lagergehäuse, welches der Aufnahme der Welle des Turbinenlaufrades dient, ist an einer Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden, so dass der im Lagergehäuse benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche integrierte Kühlmittelmantel auch dem Turbinengehäuse via Montage-Flanschfläche Wärme entzieht.
Da der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte 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.
Eine möglichst großflächige Ummantelung des Laufrades mit Kühlmittel und damit eine möglichst große Wärmeabfuhr werden erfindungsgemäß nicht angestrebt. Vielmehr wird die Kühlleistung bewusst in Grenzen gehalten, indem zur Ausbildung einer Kühlung im Turbinengehäuse selbst lediglich ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist.
Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen Turbine ein entsprechender Werkstoff zu wählen, nämlich Grauguss bzw. Stahlguss oder dergleichen. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine aus Grauguss gefertigt ist.
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, weshalb hochtemperaturfeste Werkstoffe entbehrlich sind.
Andererseits ist die Kühlleistung nicht derart umfangreich dimensioniert, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden könnten.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abgeführt werden müssten.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des Werkstoffs und der Kühlung optimiert ist.
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.
Um die Laufschaufeln 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.
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.
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 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.
Die eingesetzte Radialturbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer 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.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich beabstandet zum und seitlich vom Abgas führenden Strömungskanal erstreckt und dies zumindest über einen vorgebbaren Winkelbereich. Vorteilhafterweise folgt der mindestens eine integrierte Kühlmittelkanal dabei – zumindest teilweise – der Kontur des Abgas führenden Strömungskanals, um möglichst nahe an der Wärmequelle zu verlaufen.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine sein, bei denen der mindestens eine 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.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der größte äußere radiale Abstand des mindestens einen Kühlmittelkanals von der Welle größer ist als der größte äußere radiale Abstand des Abgas führenden Strömungskanals von der Welle.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel sich entlang des Laufrades erstreckt und ausgerichtet ist, d. h. mit der Kontur des Laufrades korrespondiert.
Vorteilhaft ist dies, da ein großflächiger Kühlmittelmantel in unmittelbarer Nähe zum Laufrad und die damit verbundene Kühlung des Abgases während der Expansion den direkten Wärmeeintrag in weite Gehäuseteile unterbindet und dem Abgas Wärme via Montage-Flanschfläche entzieht.
Die Effizienz der Flüssigkeitskühlung kann durch die Anordnung des mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantels in unmittelbarer Nähe zum Laufrad deutlich erhöht werden im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der der Kühlmittelmantel nicht benachbart zum Laufrad und damit zum Abgasstrom vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Radialturbine eignet sich insbesondere für eine Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine, bei der die mindestens eine Turbine aufgrund der hohen Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet ist und daher eine Kühlung der Turbine besonders vorteilhaft ist.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Radialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
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.
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.
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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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.
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 Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.
Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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.
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.
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.
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.
Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der EP 1 722 090 A2 beschrieben ist, verzichtet werden kann.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen vorteilhaft sind, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses und/oder dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Lagergehäuses 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 bzw. des Lagergehäuses 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 in den Gehäusen an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
Bei Brennkraftmaschinen, die zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelkreislauf ausgestattet sind, sind grundsätzlich Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. Der Kühlmittelmantel des Lagergehäuses kann dann via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden, so dass keine weiteren Kühlmittelzuführ- und Abführöffnungen vorgesehen werden müssen und auch auf weitere Kühlmittelleitungen verzichtet werden kann, insbesondere falls der im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel via im Turbinengehäuse integriertem Kühlmittelkanal mit Kühlmittel versorgt wird bzw. umgekehrt.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel via mindestens einem Verbindungskanal verbunden ist, wobei der Verbindungskanal vorzugsweise parallel zur Welle verläuft.
Vorzugsweise ist der Verbindungskanal in das Turbinengehäuse bzw. das Lagergehäuse integriert. Die Integration vermindert den erforderlichen Bauraum und vermindert bzw. eliminiert die Gefahr einer Leckage von Kühlmittel durch Vermeidung von Anschlüssen, d. h. durch Vermeidung von Verbindungen und von Kanalunterbrechungen.
Ein geradliniger, insbesondere parallel zur Welle verlaufender, Verbindungskanal lässt sich auch durch Nachbearbeitung, beispielsweise Bohren, in die Gehäuse einbringen, wobei ein offenes Ende des Kanals mit einem Stöpsel verschlossen werden oder auch als Kühlmitteleintritt oder -austritt dienen kann.
Der Verbindungskanal kann dabei gezielt durch Teile, d. h. Bereiche, des Turbinengehäuses bzw. Lagergehäuses gelegt werden, die thermisch besonders stark belastet sind, so dass der Kanal nicht nur den Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses mit dem Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbindet, sondern auch das den Kanal begrenzende Gehäusematerial und die zum Kanal benachbarten Bereiche kühlt.
Diese Kühlung kann zusätzlich und in vorteilhafter Weise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem Kühlmittelkanal und dem Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in dem mindestens einen Verbindungskanal 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.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der mindestens eine Verbindungskanal durch eine Gehäusezunge hindurchführt, welche das Turbinengehäuse am Ende des Abgas führenden Strömungskanals ausbildet. Diese Zunge wird auf beiden Seiten vom heißen Abgasstrom thermisch beansprucht, nämlich am Ende des Strömungskanals und stromaufwärts des Strömungskanals im Eintrittsbereich der Turbine, wobei das freie Ende der Zunge dem Laufrad gegenüberliegt und daher ebenfalls mit heißen Abgas beaufschlagt ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der Flansch einen Durchmesser D_Fl hat mit D_Fl ≥ 70 mm.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen der Flansch einen Durchmesser D_Fl hat mit D_Fl ≥ 85 mm.
Der Flansch der beiden vorstehenden Ausführungsformen hat einen deutlich größeren Durchmesser als ein Flansch nach dem Stand der Technik, der einen Durchmesser D_Fl ≈ 40...60 mm aufweist.
Dies unterstützt die Funktion des Lagergehäuses als zusätzliche Kühlung für das Turbinengehäuse. Der Wärmeentzug aus dem Turbinengehäuse via Montage-Flanschfläche wird nämlich durch Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche gesteigert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen in die Montage-Flanschfläche des Turbinengehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.
Vorliegend wird im Turbinengehäuse mindestens eine Ausnehmung 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 auf einem Ring um die Welle des Laufrades herum angeordnet werden. Die Tatsache, dass die Ausnehmung zur Montage-Flanschfläche 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.
Die mindestens eine Ausnehmung führt zu einem verminderten Wärmefluss aus Gehäusebereichen, die zwischen dem Strömungskanal und der Ausnehmung liegen. 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 Gehäusebereiche, die infolge der permanenten Umlenkung des Abgasstroms am äußeren Umfang des Strömungskanals thermisch besonders belastet sind.
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.
Vorteilhaft sind vorliegend 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.
Die mindestens eine Ausnehmung kann im Rahmen der Montage mit Luft oder einem anderen Material gefüllt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen in die Montage-Flanschfläche des Lagergehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.
Vorteilhaft sind auch dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Radialturbine, bei denen die mindestens eine Ausnehmung im Lagergehäuse dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel – parallel zur Welle gesehen – gegenüberliegt.
Das im Zusammenhang mit der mindestens einen im Turbinengehäuse angeordneten Ausnehmung Gesagte gilt in analoger Weise.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten und mit einem Lagergehäuse verbundenen Turbine in einem Schnitt entlang der Welle des Turbinenlaufrades.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der flüssigkeitsgekühlten und mit einem Lagergehäuse 3a verbundenen Turbine 1 in einem Schnitt entlang der Welle 4a des Turbinenlaufrades 4.
Die Turbine 1 ist eine Radialturbine 2, welche ein Turbinengehäuse 2a und ein in diesem Turbinengehäuse 2a angeordnetes und auf einer drehbaren Welle 4a gelagertes Laufrad 4 umfasst. Die Welle 4a selbst ist in dem Lagergehäuse 3a einer Lagerung 3 drehbar gelagert. Das Lagergehäuse 3a ist hierzu mittels Flansch 6 an einer quer zur Welle 4a verlaufenden Montage-Flanschfläche 6a mit dem Turbinengehäuse 2a verbunden. Die dazugehörenden Schraubenverbindungen sind nicht dargestellt.
Damit das Abgas die Laufschaufeln des Laufrades 4 radial anströmen kann, ist das Turbinengehäuse 2a als rund um das Laufrad 4 verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet, bei dem sich ein Abgas führender Strömungskanal 5 ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung spiralförmig um das Laufrad 4 erstreckt.
Zur Ausbildung einer Kühlung weist das Turbinengehäuse 2a einen integrierten Kühlmittelkanal 2b auf, der sich im Gehäuse 2a ringförmig um die Welle 4a erstreckt. Der Kühlmittelkanal 2b ist dabei auf der dem Lagergehäuse 3a abgewandten Seite des Laufrades 4 angeordnet.
Das Lagergehäuse 3a weist zur Ausbildung einer Kühlung einen im Lagergehäuse 3a integrierten Kühlmittelmantel 3b auf, der benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche 6a im Flansch 6 angeordnet ist und auch der zusätzlichen Kühlung des Turbinengehäuses 2a dient.
Der im Turbinengehäuse 2a integrierte Kühlmittelkanal 2b ist via Verbindungskanal 7 mit dem im Lagergehäuse 3a integrierten Kühlmittelmantel 3b verbunden, wobei der in den Gehäusen 2a, 3a integrierte Verbindungskanal 7 bei der in 1 dargestellten Ausführungsform geradlinig und parallel zur Welle 4a verläuft.
Der Verbindungskanal 7 ist vorliegend durch Bohren in die Gehäuse 2a, 3a eingebracht worden. Das offene Ende des Kanals 7 wurde mit einem Stöpsel 7a verschlossen, um den Austritt von Kühlmittel, d. h. eine Leckage, sicher zu verhindern.
In die Montage-Flanschfläche 6a des Turbinengehäuses 2a sind zwei Ausnehmungen 2c in Gestalt von Taschen 2c eingelassen, die dem Kühlmittelmantel 3b des Lagergehäuses 3a gegenüberliegen, als Wärmebarriere fungieren, zu einem verminderten Wärmefluss aus Gehäusebereichen zwischen dem Strömungskanal 5 und den Ausnehmungen 2c führen und insbesondere den Wärmefluss aus Gehäusebereichen am äußeren Umfang des Strömungskanals 5 über einen an den Ausnehmungen 2c vorbeiführenden Steg fördern, d. h. vergrößern.
Bezugszeichenliste

1: Turbine
2: Radialturbine
2a: Turbinengehäuse
2b: Kühlmittelkanal
2c: Ausnehmung, Tasche
3: Lagerung
3a: Lagergehäuse
3b: Kühlmittelmantel
4: Laufrad
4a: Welle
5: Abgas führender Strömungskanal
6: Flansch
6a: Montage-Flanschfläche
7: Verbindungskanal
7a: Stöpsel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0010]
EP 1384857 A2 [0011]
DE 102007017973 A1 [0012]
EP 1722090 A2 [0059]

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2), die mit einem Lagergehäuse (3a) verbunden ist, bei der – die Radialturbine (2) ein Turbinengehäuse (2a), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4a) gelagertes Laufrad (4) angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse (2a) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (4) erstreckt, – das Lagergehäuse (3a), welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle (4a) dient, an einer quer zur Welle (4a) verlaufenden Montage-Flanschfläche (6a) mit dem Turbinengehäuse (2a) verbunden ist, und – das Turbinengehäuse (2a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse (2a) integrierten Kühlmittelkanal (2b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich im Gehäuse (2a) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle (4a) erstreckt und auf der dem Lagergehäuse (3a) abgewandten Seite des Laufrades (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Lagergehäuse (3a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel (3b) benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche (6a) in einem die Montage-Flanschfläche (6a) aufnehmenden und ausbildenden Flansch (6) angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich beabstandet zum und seitlich vom Abgas führenden Strömungskanal (5) erstreckt.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der größte äußere radiale Abstand des mindestens einen Kühlmittelkanals (2b) von der Welle (4a) größer ist als der größte äußere radiale Abstand des Abgas führenden Strömungskanals (5) von der Welle (4a).
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Lagergehäuse (3a) integrierte Kühlmittelmantel (3b) sich entlang des Laufrades (4) erstreckt und ausgerichtet ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Lagergehäuse (3a) integrierte Kühlmittelmantel (3b) mit einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine verbunden ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Turbinengehäuse (2a) integrierte Kühlmittelkanal (2b) mit dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) verbunden ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Turbinengehäuse (2a) integrierte Kühlmittelkanal (2b) mit dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) via mindestens einem Verbindungskanal (7) verbunden ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbindungskanal (7) geradlinig ist, vorzugsweise parallel zur Welle (4a) verläuft.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbindungskanal (7) durch eine Gehäusezunge hindurchführt, welche das Turbinengehäuse (2a) am Ende des Abgas führenden Strömungskanals (5) ausbildet.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (6) einen Durchmesser D_Fl hat mit D_Fl ≥ 70 mm.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (6) einen Durchmesser D_Fl hat mit D_Fl ≥ 85 mm.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Montage-Flanschfläche (6a) des Turbinengehäuses (2a) mindestens eine Ausnehmung (2c) eingelassen ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (2c) im Turbinengehäuse (2a) dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) – parallel zur Welle (4a) gesehen – gegenüberliegt.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Montage-Flanschfläche (6a) des Lagergehäuses (3a) mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung im Lagergehäuse (3a) dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) – parallel zur Welle (4a) gesehen – gegenüberliegt.
Flüssigkeitsgekühlte Radialturbine (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (2) Bestandteil eines Abgasturboladers ist.