Turbolader Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Radial- Axial-Laufrad, insbesondere einem Radial-Axial- Turbinenlaufrad .

Turbolader weisen im Allgemeinen eine Turbine auf, die in ei- nem Abgasstrom angeordnet ist und über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Auf der Welle sind dabei normalerweise ein Turbinenrad und ein Verdichterrad an ^¬ geordnet. Das Turbinenrad der Turbine wird durch den Abgas ^¬ strom eines angeschlossenen Motors angetrieben und treibt hierbei wiederum das Verdichterrad des Verdichters an. Hier ^¬ durch erhöht der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in den Zylinder gelangt. Dies hat zur Folge, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge verbrannt werden kann.

Bei Turbinen für einen Turbolader unterscheidet man im Allgemeinen zwischen Axialturbinen und Radialturbinen. Bei Axialturbinen wird hierbei das Turbinenrad ausschließlich axial durchströmt. Bei Radialturbinen erfolgt wiederum die Anströ- mung zentripetal, d.h. in radialer Richtung von außen nach innen und das Ausströmen in axialer Richtung.

Darüber hinaus kann auch eine Radial-Axial Turbine vorgesehen werden mit einem Radial-Axial Turbinenrad. Hierbei strömt das Abgas schräg hinein und axial wieder heraus.

Um das Massenträgheitsmoment eines Turboladerläufers zu ver ^¬ ringern kann ein im Durchmesser kleineres Turbinenrad verwen- det werden. Bei der Verwendung eines kleineren Turbinenrads nimmt jedoch der Massendurchsatz ebenfalls ab. Somit weist der Durchmesser des Turbinenrads normalerweise ein Mindestmaß auf, um noch genügend Antriebsleistung für den Verdichter zu erzeugen. Dies bedeutet, dass das Massenträgheitsmoment eben ^¬ falls kleiner werden kann, wodurch sich wiederum das Hochlauf erhalten des Turboladers verbessert.

Es ist bekannt, das Radialrad der Turbine durch ein Radial- Axial Turbinenrad (Mix-Flow) zu ersetzen. Durch dieses Radi ^¬ al-Axial Turbinenrad strömt das Abgas nicht mehr radial hi ^¬ nein und axial hinaus bzw. wird um 90° umgelenkt, sondern das Abgas strömt schräg hinein und axial wieder heraus. Der Nei ^¬ gungswinkel von der senkrechten/radialen Zuströmrichtung ist dabei deutlich größer als 0°. Das Radial-Axial Turbinenrad kann bei kleineren Raddurchmessern mehr Massenstrom durchsetzen als das Radialrad. Somit kann in der Radial-Axial Turbine tendenziell ein kleineres Rad mit einem geringeren Massen ^¬ trägheitsmoment als in der Radialturbine verwendet werden. Das Massenträgheitsmoment des Radial-Axial-Turbinenrads ist durch die schräge Eintrittskante und den kleineren Radrücken zusätzlich kleiner.

Das Problem beim Abgasturbolader, insbesondere bei kleinen Baugrößen, ist, dass man einen flachen Einströmwinkel in das Rad, durch Neigen der Spirale in Richtung des Lagergehäuses, konstruktiv nur dann realisieren kann, wenn man entweder auf den Wasserkern verzichtet oder das Laufzeug, d.h. die Stützwelle und den Überhang der Turbine, verlängert. Die Neigung der Spirale wird jedoch durch die Abgastemperatur begrenzt.

Die Verlängerung des Laufzeugs wird wiederum durch die Rotordynamik oder das Package stark begrenzt. Eine Kombination aus einem Turbinengehäuse mit einer fast ra ^¬ dialen Zuströmung, wobei ein nur ganz kleiner Neigungswinkel gegeben ist, und einem Radial-Axial Turbinenrad kann einge ^¬ setzt werden. Eine Zunge oder ein Zungenelement der Spirale sitzt bei einer solchen Radial-Axial Turbine sehr weit von der Eintrittskante des Turbinenrads entfernt. Der Abstand des Zungenelements hat jedoch maßgeblichen Einfluss auf den ther- modynamischen Wirkungsgrad.

Dabei ist das Zungenelement beidseitig am Turbinengehäuse an- gebunden. Das Zungenelement weist dabei keinerlei Neigung auf und es weist außerdem keinerlei Parallelität zu der Ein ^¬ trittskante des Turbinenrads auf. Die Strömungsführung des Abgasstroms erfolgt dabei durch einen Steg des Turbinengehäu ^¬ ses der Turbine.

Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Turbolader mit einem Radial-Axial Laufrad, insbesondere Radial-Axial-Turbinenlaufrad, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader bereitgestellt, welcher ein Radial-Axial-Laufrad aufweist, welches in einem Laufradgehäuse des Turboladers angeordnet ist und wobei das

Laufradgehäuse ein Leitelement zum Leiten der Strömung in dem Laufradgehäuse aufweist, welches einen Teil einer geneigten oder schräg ausgebildeten Spirale des Laufradgehäuses bildet. Der Turbolader hat dabei den Vorteil, dass die Spirale selbst nicht geneigt ausgebildet werden muss, sondern das separate Leitelement als Teil der Spirale als Strömungsführungselement eine geneigte Zuströmung des Abgases in der Spirale ermög ^¬ licht. Das Leitelement ermöglicht des Weiteren eine kompakte- re Bauweise in axialer Richtung, da der axiale Bauraum um einmal die Wandstärke des Laufradgehäuses kleiner ausgeführt werden kann, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird. Des Weiteren wird die Aufgabe durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.

Dabei wird ein Turbolader bereitgestellt, welcher ein Radial- Axial-Laufrad aufweist, welches in einem Laufradgehäuse des Turboladers angeordnet ist und wobei in dem Laufradgehäuse ein Zungenelement ausgebildet ist, das den gleichen oder ei ^¬ nen nahezu gleichen Winkel zu der Radeintrittskante des Radi ^¬ al-Axial-Laufrads aufweist. Der Turbolader hat dabei den Vorteil, dass durch die paralle ^¬ le oder nahezu parallele Anordnung von Zungenwinkel und Rad ^¬ eintrittskante des Radial-Axial-Laufrads der Wirkungsgrad er ^¬ höht werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schemati- sehen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht durch einen Turbolader, welcher eine Radial-Axial Turbine aufweist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine Schnittansicht durch einen Turbolader, welcher eine Radial-Axial-Turbine aufweist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen bezeichnet worden.

In Fig. 1 ist nun eine Teilschnittansicht durch eine Radial- Axial-Turbine eines Turboladers 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Axial-Radial-Turbine weist dabei ein Turbinengehäuse 10 auf, in welchem ein Axial-Radial-Turbinenlaufrad 12, mit auf einer Laufradnabe 13 angeordneten Laufradschaufeln 11, angeordnet ist. Das Turbinenlaufrad 12 ist dabei auf einer Wel ^¬ le vorgesehen, welche in einem Lagergehäuse 20 des Turbola- ders 1 gelagert ist. Das Turbinengehäuse 10 weist eine Spira ^¬ le 16 oder einen Spiralabschnitt auf, über den ein Abgasstrom einer angeschlossenen Brennkraftmaschine schräg hinein strömt und anschließend axial wieder heraus. Ein Zungenelement (nicht dargestellt) der Turbinenspirale 16 ist dabei gemäß der Erfindung nicht beidseitig sondern nur einseitig an das Turbinengehäuse 10 angebunden oder an diesem befestigt, beispielsweise einstückig oder als separates Teil. Des Weiteren wird gemäß der Erfindung die Strömungsführung des Abgasstroms in der Spirale 16 nicht nur durch die Stege 22 im Turbinengehäuse 10, sondern lagergehäuseseitig durch wenigstens ein Leitelement 24, das hier gleichfalls als ein Hitzeschild dient, realisiert. Das Leitelement 24 ist so aus ^¬ gebildet, dass es einen Abschnitt der Rückwand 26 oder wie hier dargestellt eine komplette Rückwand 26 des Spiralgehäu ^¬ ses 16 also der Spirale des Turbinengehäuses 10 bildet. Das Leitelement 24 weist dabei wenigstens einen Abschnitt 28 mit einer vorbestimmten Schräge oder mit einer vorbestimmten Neigung auf, um den Abgasstrom schräg bzw. mit einem vorbestimm- ten Neigungswinkel in Richtung Turbinenlaufrad 12 zu lei ^¬ ten. Der Neigungswinkel erstreckt sich dabei ausgehend von einer radialen also zur Turbinenlaufradachse 15 senkrechten Zuströmrichtung einer Radial-Turbine und von der Turbinen- laufradachse 15 aus gesehen zu der Lagergehäuseseite hin, wie in Fig. 1 eingezeichnet ist, um den Abgasstrom mit einer vorbestimmten Neigung in das Turbinengehäuse 10 einströmen zu lassen, wobei der Abgasstrom anschließend über das Radial- Axial-Turbinenlaufrad 12 axial aus dem Turbinengehäuse 10 wieder ausströmt. Mit anderen Worten die Zuströmrichtung der Radial-Axial-Turbine ist im Vergleich zu der radialen oder senkrechten Zuströmrichtung einer Radial-Turbine um den Neigungswinkel in Richtung der Lagergehäuseseite des Turbola ^¬ ders 1 geneigt, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Des Weiteren wird das Zungenelement 14, wie im nachfolgenden anhand von Fig. 2 näher beschrieben wird, vorzugsweise sehr nah oder möglichst nah an die Eintrittskante 18 des Turbinen ^¬ laufrades 12 gezogen. Mit anderen Worten, es wird ein mög- liehst kleiner Abstand zwischen dem Zungenelement 14 und der Eintrittskante 18 des Turbinenlaufrads 12 vorgesehen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Zusätzlich wird das Zungenelement 14 vorzugsweise schräg gestellt, wobei das Zungenelement 14 da ^¬ bei bevorzugt den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist, oder nahezu also im Wesent ^¬ lichen den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenlaufrads 12 aufweist.

Die Rückwand 26 der Spirale 16 des Turbinengehäuses 10 ist, wie zuvor beschrieben, in Richtung des Lagergehäuses 20 geneigt. Hierzu ist das Leitelement 24, das hier gleichfalls als Hitzeschild vorgesehen ist, mit einer entsprechenden vorbestimmten Schräge also unter dem Neigungswinkel geneigt ausgebildet, um eine Neigung der Rückwand 26 der Spirale 16 hier in Richtung des Lagergehäuses 20 bereitzustellen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann das Leitelement 24 so ausgebildet sein, dass es die komplette Rückwand 26 der Spirale 16 des Turbinengehäuses 10 bildet, wobei die Rückwand 26 zumindest in einem Abschnitt 28 mit der Schräge oder Neigung mit dem Neigungswinkel ausgebildet ist. Des Weiteren ist die Rück ^¬ wand 26 derart ausgebildet, dass die Spirale 16 und die Rück ^¬ wand 26, welche durch das Leitelement 24 gebildet wird, mög ^¬ lichst übergangslos ineinander übergehen, um eine möglichst optimale Strömungsführung zu erzielen und Strömungsverlusten z.B. in Folge von scharfen Übergängen entgegen zu wirken. Mit anderen Worten, die Rückwand 26 der Spirale 16, welche durch das Leitelement 24 gebildet wird, passt sich der Kontur der Spirale 16 an, wie durch die gestrichelte Linie 25 in Fig. 1 angedeutet ist, und weist des Weiteren wenigstens einen ge ^¬ neigten oder schrägen Abschnitt 28 auf, wobei dieser Ab ^¬ schnitt 28 in Richtung des Lagergehäuses 20 mit dem Neigungs ^¬ winkel geneigt ausgebildet ist. Der Abschnitt 28 kann da ^¬ bei, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in Form einer Geraden ausge- bildet sein, die um den Winkel zu einer Senkrechten zur

Turbinenlaufradachse 15 geneigt ist, oder auch gewölbt oder gerundet ausgebildet sein, wie in Fig. 2 angedeutet ist.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht durch die Turbine eines Turboladers 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Dabei ist die

Strömungsrichtung, d.h. die Zuströmrichtung und die Abström ^¬ richtung in Fig. 2 jeweils mit einem Pfeil schematisch und stark vereinfacht eingezeichnet. Die Turbine weist ebenfalls ein Turbinengehäuse 10 mit einer Spirale 16 auf, sowie ein Radial-Axial-Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradnabe 13 und darauf angeordneten Laufradschaufeln 11. Das Radial-Axial-Turbinenlaufrad 12 ist dabei auf einer Welle 30 angeordnet, die in einem Lagergehäuses 20 gelagert ist. Des Weiteren ist ein Leitelement 24 vorgesehen, welches so ausgebildet ist, dass es eine Rückwand 26 oder einen Teil der Rückwand 26 der Spirale 16 bildet, wobei der Teil der Rückwand 26 oder die Rückwand 26 unter einem vorbestimmten Neigungswinkel in Richtung des Lagergehäuses 20 geneigt ist. Der Abschnitt des Leitelements 24, welcher als Rückwand 26 oder Teil der Rückwand 26 der Spirale 16 also des Turbi ^¬ nengehäuses 10 angeordnet ist, bildet dabei mit der Spirale 16 also dem Turbinengehäuse 10 einen im Wesentlichen nahtlo- sen Übergang, wie durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet ist. Wie zuvor bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wur ^¬ de, ist das Leitelement 24 so ausgebildet, dass es möglichst ohne Übergang oder stufenlos in die Turbinengehäusewand über ^¬ geht, so dass die Strömungsführung nicht oder so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.

Des Weiteren ist das Leitelement 24 so ausgebildet, dass der Rückwandabschnitt 26 in das Turbinenrad 12 übergeht, wie in Fig. 1 und 2 mit einer gestrichelten Linie 25 angedeutet ist, wobei bevorzugt keine Stufe oder Absatz oder im Wesentlichen keine Stufe oder Absatz zwischen dem Rückwandabschnitt 26 und der Kontur der Turbinenlaufradnabe 13 vorgesehen ist.

Der Rückwandabschnitt 26 des Leitelements 24 kann einmal als eine gerade Fläche ausgebildet sein, welche um den Neigungs ^¬ winkel vorzugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20 ge ^¬ neigt ausgebildet ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Der Rück ^¬ wandabschnitt 26 des Leitelements 24 kann aber ebenso bei ^¬ spielsweise bogenförmige oder gerundet ausgebildet sein oder wenigstens einen bogenförmigen oder gerundeten Abschnitt 28 aufweisen, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Der bogenförmige oder gerundete Abschnitt 28 kann dabei in einem Neigungswinkel geneigt ausgebildet sein, wie in Fig. 2 angedeutet ist, vor ^¬ zugsweise in Richtung des Lagergehäuses 20. Ebenso kann der Rückwandabschnitt 26 des Leitelements 24 we ^¬ nigstens eine bogenförmigen oder gerundeten Abschnitt 28 und einen geraden Abschnitt 28 aufweisen, wobei der Rückwandab- schnitt 26 zumindest in einem dieser Abschnitte geneigt aus ^¬ gebildet ist, vorzugsweise um den Neigungswinkel zu Lager ^¬ gehäuseseite geneigt ausgebildet sein.

Das Leitelement 24, welches die Rückwand 26 oder eine Teil der Rückwand der Spirale 16 bildet, und zuvor anhand der Aus ^¬ führungsformen in den Fig. 2 und 3 beschrieben wurde, kann beispielsweise als Blechteil ausgebildet sein und wahlweise zusätzliche weitere Funktionen übernehmen, wie beispielsweise die eines Hitzschildes. Dabei kann das Blechteil so geformt oder gebogen sein, dass es wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, zwischen das Lagergehäuse 20 und das Turbinengehäuse 10 an einem oder beiden Enden befestigt, z.B. eingeklemmt werden kann. Dabei kann das Leitelement 24 auch mit wenigstens einem Ende 32, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, an einem Absatz 34, beispielsweise einem umlaufenden, rotationssymmetrischen Absatz, des Turboladergehäuses 10 aufgeschoben oder aufgesteckt werden. Ebenso kann das Leitelement 24 an dem Turboladerge ^¬ häuse 10 alternativ oder zusätzlich mittels Verschrauben und/oder Verstiften befestigt werden. Ebenso kann das Leit- element 24 statt aus Blech aus jedem anderen für das Turbi ^¬ nengehäuse 10 geeigneten Material oder Materialkombination hergestellt sein.

Wie zuvor bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, weist das Turbinengehäuse ein Zungenelement 14 auf, das vorzugsweise sehr nah oder möglichst nah an die Eintrittskante 18 des Tur- binenlaudrades 12 gezogen ist. Das heißt, es wird ein mög ^¬ lichst kleiner Abstand a zwischen dem Zungenelement 14 und der Eintrittskante 18 des Turbinenlaufrads 12 vorgesehen. Au- ßerdem wird das Zungenelement 14 bevorzugt schräg gestellt, wobei das Zungenelement 14 dabei vorzugsweise den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenlaufrads 12 aufweist, d.h. parallel zu diesem ist, wie in Fig. 2 angedeu- tet ist, oder nahezu oder im Wesentlichen den gleichen Winkel wie die Radeintrittskante 18 des Turbinenrads 12 aufweist.

Durch die Verwendung des Leitelements 24 als strömungsführendes Teil kann der axiale Bauraum um einmal die Wandstärke des Turbinegehäuses 10, beispielsweise ca. 4mm, kleiner ausge ^¬ führt werden. Der Turbolader 1 kann axial sehr kompakt bauen und hat somit deutliche Package- also Bauraumvorteile. Durch den geringen oder möglichst kleinen Abstand von dem Zungenelement 14 zu der Eintrittskante 18 des Turbinenrads 10 und der parallelen oder im Wesentlichen parallelen Anordnung von Zungenwinkel und Radeintrittskante 18 ist der Wirkungsgrad höher. Die Neigung der Rückwand 26 der Spirale 16 des Turbi ^¬ nengehäuses 10 ermöglicht außerdem eine kontinuierliche Ein ^¬ strömung in das Turbinenrad 12.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevor ^¬ zugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modi ^¬ fizierbar .