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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist allgemein bekannt, Brennkraftmaschinen mittels Abgasturboladern aufzuladen. Hierbei umfasst der Turbolader eine vom Abgas der Brennkraftmaschine antreibbare Turbine. Diese ist drehfest, beispielsweise über eine Welle, mit einem Verdichter verbunden, der die der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluft verdichtet, wie beispielsweise in der
DE 100 40 508 A1 beschrieben ist. Ferner ist hieraus auch bekannt, ein Lagergehäuse des Turboladers mit Luft zwangsweise zu kühlen, wobei die Kühlluft dem Ladeluftstrom stromab des Verdichters entnommen werden kann.
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Die
JP S59-180 032 A beschreibt darüber hinaus eine Kühlvorrichtung für einen Abgasturbolader, bei der stromab eines Verdichters des Abgasturboladers verdichtete Ladeluft als Kühlluft entnommen wird und einem eine Turbine des Abgasturboladers aufnehmenden Turbinengehäuse zu dessen Kühlung zugeführt wird. Hierbei weist das Turbinengehäuse in einer Wandung einen Kühlluftströmungskanal zum Leiten der Kühlluft auf.
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Weiterhin offenbart die
DE 602 17 689 T2 ein Luftkühlungssystem für einen elektrisch unterstützten Turbolader, bei dem einem Motorgehäuse, in dem ein Elektromotor angeordnet ist, von einem Verdichter des Turboladers komprimierte Ladeluft als Kühlluft zugeführt wird, wobei die Kühlluft stromab eines stromab des Verdichters angeordneten Zwischenkühlers aus der verdichteten und gekühlten Ladeluft entnommen wird. Außerdem kann die der verdichteten Ladeluft entnommene Menge an Kühlluft mittels eines Luftströmungssteuermittels, zum Beispiel eine Variable-Öffnung-Armatur, gesteuert werden. Weiterhin wird bei dem beschriebenen Luftkühlungssystem die dem Motorgehäuse zugeführte Kühlluft nach dem Passieren des Motorgehäuses zu einer Saugseite des Verdichters zurückgeführt.
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In der
DE 100 40 508 A1 ist weiterhin eine Luftkühlung an einem Turboladerlagergehäuse beschrieben, wobei das Lagergehäuse zur Luftkühlung unter anderem mit Kühlrippen ausgebildet ist.
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Die
US 6 257 834 B1 offenbart zudem sowohl einen flüssigkeitsgekühlten als auch einen luftgekühlten Turbolader.
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Aus der
DE 102 45 798 A1 ist des Weiteren ein elektrisch angetriebener Ladeluftverdichter bekannt, bei dem ein, ein Verdichterrad des Ladeluftverdichters antreibender Elektromotor mit Hilfe der Ansaugluft gekühlt wird. Hierzu weist ein Verdichtergehäuse einen den Elektromotor teilweise in axialer Richtung umgreifenden, die Ansaugluft führenden Strömungskanal auf.
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Ferner beschreibt die
US 2014/0026538 A1 einen Abgasturbolader mit einem Verdichterrad und einem das Verdichterrad antreibenden Turbinenrad, das wiederum vom Abgas einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Dem das Turbinenrad aufnehmenden Turbinengehäuse ist ein aus einer externen Druckgasquelle stammendes Druckgas zuführbar, um das Turbinenrad zusätzlich zum Abgas anzutreiben.
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Aus der
DE 203 11 703 U1 ist weiterhin ein Turbinengehäuse für einen Turbolader-Verbrennungsmotor für Marineanwendungen bekannt, bei dem eine mit Seewasser gespeiste Kühleinrichtung sowohl die Turbine als auch einen mit dem Turbinengehäuse einstückig ausgebildeten Abgaskrümmer umgibt.
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Die
US 2015/0132101 A1 ,
JP 2012-031727 A und
DE 602 03 959 T2 beschreiben jeweils Gasturbinen, bei denen von einer Verdichterstufe verdichtete Luft zur Kühlung einer Turbinenstufe verwendet wird.
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Um den hohen Temperaturbeanspruchungen standzuhalten, sind die Turbinengehäuse von Abgasturboladern gewöhnlich aus besonders widerstandsfähigen Materialien, zum Beispiel aus Nickel-Chrom-Stählen, hergestellt. Zusätzlich kann das Turbinengehäuse auch gekühlt werden, zum Beispiel passiv durch Wärmeabstrahlung und/oder freie Konvektion oder auch aktiv durch Zwangskonvektion wie beispielsweise mit Hilfe von mit Lüftern zugeführter Kühlluft. Zudem ist es auch bekannt, das Turbinengehäuse mit einer Kühlflüssigkeit zu kühlen, indem es zum Beispiel von dem Kühlmittel (z. B. Wasser oder Öl) eines Kühlmittelkreislaufs einer von dem Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine durchströmt wird. Eine solche Flüssigkeitskühlung hat jedoch einen hohen Wärmeeintrag in die somit hoch beanspruchte Kühlflüssigkeit zur Folge, was wiederum zu vergrößerten Kühl- bzw. Schmiersystemen mit größeren Wärmetauschern und Kühlmittelpumpen führt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einer Turboladeranordnung bereitzustellen, bei der die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwunden sind. Insbesondere soll mit einfachen Maßnahmen eine gute, homogene Kühlung eines Turbinengehäuses der einen Turbolader umfassenden Turboladeranordnung sichergestellt werden, so dass die Haltbarkeit des Turbinengehäuses verbessert und die Kosten aufgrund von dann preiswerter einsetzbaren Turbinengehäusematerialien gesenkt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit einer Turboladeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Kraftfahrzeug eine Turboladeranordnung, die eine mittels wenigstens eines Turboladers aufladbare Brennkraftmaschine umfasst. Weiterhin umfasst der Turbolader eine vom Abgas der Brennkraftmaschine antreibbare bzw. im Betrieb der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine und einen mit der Turbine drehfest, zum Beispiel über eine Welle, verbundenen Verdichter. Der Verdichter dient der Verdichtung von der Brennkraftmaschine zugeführter Lade- bzw. Verbrennungsluft. Die Turbine ist in einem Turbinengehäuse aufgenommen, das gemäß der Erfindung mit stromab des Verdichters, der verdichteten Ladeluft entnommener Kühlluft zwangsgekühlt ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung erfolgt die Kühlung des Turbinengehäuses mit Luft, die dem Turbinengehäuse zwangsweise zugeführt wird. Die Zwangskühlung ermöglicht eine homogene Kühlung des Turbinengehäuses, so dass dieses beispielsweise aus einem preiswerteren Material hergestellt werden kann als die Turbinengehäuse herkömmlicher Turboladeranordnungen. Gleichzeitig wird durch die erzielte homogene Temperaturverteilung im Turbinengehäuse dessen Haltbarkeit erhöht. Da die Kühlluft erfindungsgemäß der verdichteten, gegenüber der Umgebungsatmosphäre unter Druck stehenden Ladeluft entnommen wird, ist kein zusätzlicher Lüfter zur Förderung der Kühlluft erforderlich. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung vereinfacht sich demzufolge und sie baut kompakter und kann kostengünstiger hergestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist außerdem einen Luftsammler zum Sammeln von Fahrtluft auf. Hierzu kann beispielsweise an der Front des Kraftfahrzeugs der vorzugsweise trichterförmig ausgebildete Luftsammler angeordnet sein. Erfindungsgemäß mündet die auf diese Weise gesammelte Fahrtluft in den Kühlluftstrom der Turboladeranordnung. Insbesondere bei hohen Fahrgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs kann somit die dem Turbinengehäuse bereitgestellte Kühlleistung noch weiter gesteigert werden und die vom Verdichter zu liefernde Pumparbeit verringert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist die Menge der der Kühlluft zugeführten Fahrtluft mittels eines Ventils steuerbar. Dieses kann beispielsweise in der Zuleitung der Fahrtluft zum Turbinengehäuse angeordnet sein. Das Ventil ermöglicht eine bedarfsgerechte Steuerung der dem Kühlluftstrom zusätzlich zugeführten Fahrtluft. Insbesondere kann es erst bei relativ hohen Fahrgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs teilweise oder vollständig geöffnet werden, wenn der durch den Fahrtluftstrom erzeugte Staudruck im Luftsammler ausreichend hoch ist, um dem ebenfalls unter Druck stehenden Kühlluftstrom zugeführt werden zu können.
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Zum verbesserten Leiten der Kühlluft am bzw. im Turbinengehäuse kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an bzw. in einer Wandung des Turbinengehäuses wenigstens ein Kühlluftströmungskanal vorgesehen sein.
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Um die Wärmeübertragung von dem Turbinengehäuse an die Umgebung und/oder an die Kühlluft weiter zu steigern, sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Turbinengehäuse wenigstens eine Kühlrippe aufweist. Die Kühlrippe kann beispielsweise an der Außenseite des Turbinengehäuses vorgesehen sein und/oder in dem die Kühlluft führenden Kühlluftströmungskanal, sofern dieser vorhanden ist.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Verdichter und einem Einlass der verdichteten Ladeluft in die Brennkraftmaschine ein Ladeluftkühler zum Kühlen der von dem Verdichter verdichteten Ladeluft angeordnet, wobei die Kühlluft zum Kühlen des Turbinengehäuses stromab des Ladeluftkühlers aus dem Ladeluftstrom abzweigt. An dieser Stelle ist die verdichtete Ladeluft abgekühlt, so dass die zur Kühlung des Turbinengehäuses zur Verfügung stehende Kühlleistung weiter gesteigert werden kann.
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Um die Pumparbeit des Verdichters und die ihm damit zuzuführende Antriebsleistung so gering wie möglich zu halten, sieht eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Menge der der Ladeluft entnommenen Kühlluft mittels eines Ventils steuerbar ist. Dieses kann beispielsweise an der Abzweigstelle der Kühlluft von der Ladeluft oder in der Zuleitung der Kühlluft zum Turbinengehäuse angeordnet sein. Das Ventil ermöglicht eine bedarfsgerechte Steuerung der dem Turbinengehäuse zugeführten Kühlluft. So kann es beispielsweise in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine teilweise oder vollständig geschlossen werden, wenn lediglich eine geringe oder keine zusätzliche Kühlung des Turbinengehäuses mit der Ladeluft entnommener Kühlluft erforderlich ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlluft nach dem Passieren des Turbinengehäuses auf einer Saugseite des Verdichters, das heißt stromauf des Verdichters, in den Ansaugluftstrom mündet. Die nach dem Passieren des Turbinengehäuses erwärmte, dem Ansaugluftstrom stromauf des Verdichters zugeführte Kühlluft ermöglicht in vorteilhafter Weise, die Pumparbeit des Verdichters bzw. der Brennkraftmaschine zu verringern und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Turbinengehäuse zusätzlich zur bisher beschriebenen Zwangsluftkühlung mit Kühlluft auch flüssigkeitsgekühlt sein. Hierzu ist in einer Wandung des Turbinengehäuses wenigstens ein Kühlmittelströmungskanal zum Leiten des Kühlmittels in der Wandung des Turbinengehäuses vorgesehen. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser oder Öl sein. Die erfindungsgemäße, vorstehend beschriebene Zwangsluftkühlung verringert den Wärmeeintrag ins Kühlmittel erheblich, so dass die Haltbarkeit des Kühlmittels gesteigert werden kann. Außerdem kann die Größe der im Flüssigkeitskühlmittelkreislauf vorhandenen Wärmetauscher vorteilhaft verringert werden. Außerdem kann auch die erforderliche Pumpleistung im Kühlmittelkreislauf gesenkt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
- 1 eine Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Turboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung,
- 2 eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Turboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung,
- 3 eine Querschnittsansicht eines Turbinengehäuses der Turboladeranordnung aus 1,
- 4 eine Querschnittsansicht eines Turbinengehäuses einer Turboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 5 ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs gemäß der Erfindung mit der Turboladeranordnung aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt zur Vereinfachung der Beschreibung zunächst eine Teilansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Turboladeranordnung 1 für ein in 1 nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung dar. Eine vollständige Ansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Turboladeranordnung zeigt die weiter unten erläuterte 5. Die Turboladeranordnung 1 umfasst bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine mittels eines Turboladers 2 aufladbare Brennkraftmaschine 3. Der Turbolader 2 umfasst wiederum in an sich bekannter Weise eine vom Abgas 4 der Brennkraftmaschine 3 antreibbare bzw. während des Betriebs der Brennkraftmaschine angetriebene Turbine 5 und einen mit der Turbine 5 drehfest verbundenen Verdichter 6 zum Verdichten von der Brennkraftmaschine 3 zugeführter Ladeluft 7. Wie in 1 dargestellt ist, kann die Turbine 5 mit dem Verdichter 6 über eine Welle 8 drehfest verbunden sein.
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Wie in 1 weiter zu sehen ist, ist ein die Turbine 5 aufnehmendes Turbinengehäuse (nicht dargestellt) mit stromab des Verdichters 6, der verdichteten Ladeluft 7 entnommener Kühlluft 9 zwangsgekühlt.
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Der Vollständigkeit halber sind in 1 des Weiteren auch ein Luftfilter 10 zum Filtern der dem Verdichter 6 auf seiner Saugseite 11 zugeführten Ansaugluft 12 sowie ein der Turbine 5 nachgeschalteter Katalysator 13 zur Abgasnachbehandlung dargestellt.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladeranordnung 1 wird die der Turbine 5 zugeführte Kühlluft 9 nach dem Passieren der Turbine 5 an die Umgebungsatmosphäre abgegeben.
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In einem in den Figuren nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kühlluft 9 nach dem Passieren des Turbinengehäuses auch auf der Saugseite 11 des Verdichters 6 in den Ansaugluftstrom 12 münden. Auf diese Weise kann die nach dem Passieren der Turbine 5 erwärmte, dem Ansaugluftstrom 12 stromauf des Verdichters 6 zugeführte Kühlluft die Pumparbeit des Verdichters 6 verringern helfen, was wiederum den Kraftstoffverbrauch reduziert.
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Besonders bevorzugt wird hierbei die der Saugseite 11 des Verdichters 6 zugeführte, erwärmte Kühlluft 9 stromab des Luftfilters 10 eingespeist. Da die Kühlluft 9 bereits gereinigt ist, entfällt somit die Überwindung des Druckverlusts der Ansaugluft 12 im Luftfilter 10, was die Pumparbeit des Verdichters 6 verringern hilft.
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In einem ebenfalls in den Figuren nicht dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel kann zwischen dem Verdichter 6 und einem Einlass der verdichteten Ladeluft 7 in die Brennkraftmaschine 3 ein Ladeluftkühler zum Kühlen der von dem Verdichter 6 verdichteten Ladeluft 7 angeordnet sein. Bevorzugt zweigt die Kühlluft 9 zum Kühlen des Turbinengehäuses in diesem Fall stromab des Ladeluftkühlers ab. An dieser Stelle ist die verdichtete Ladeluft 7 abgekühlt, so dass die zur Kühlung des Turbinengehäuses zur Verfügung stehende Kühlleistung weiter gesteigert werden kann.
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2 stellt ebenfalls zur Vereinfachung der Beschreibung zunächst eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Turboladeranordnung 14 für ein in 2 nicht näher dargestelltes Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung dar. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Turboladeranordnung 1 ist bei der Turboladeranordnung 14 ein Ventil 15 vorgesehen, mit welchem die Menge der der verdichteten Ladeluft 7 entnommenen Kühlluft 9 steuerbar ist. Zum Beispiel kann das Ventil 15 in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 3 teilweise oder vollständig geschlossen werden, wenn lediglich eine geringe oder keine zusätzliche Kühlung des Turbinengehäuses mit der Ladeluft 7 entnommener Kühlluft 9 erforderlich ist. Auf diese Weise kann die Pumparbeit des Verdichters 6 und die ihm damit zuzuführende Antriebsleistung so gering wie möglich gehalten werden.
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3 stellt eine Querschnittsansicht eines Turbinengehäuses 16 der Turboladeranordnung 1 aus 1 dar. In dem Turbinengehäuse 16 ist die Turbine 5 aufgenommen. Wie 3 weiter zu entnehmen ist, ist in einer Wandung des Turbinengehäuses 16 ein Kühlluftströmungskanal 17 zum Leiten der Kühlluft 9 vorgesehen.
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4 stellt eine Querschnittsansicht eines Turbinengehäuses 18 einer nicht weiter gezeigten Turboladeranordnung für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Turbinengehäuse 18 zusätzlich zur Luftkühlung mit der Kühlluft 9 auch flüssigkeitsgekühlt, wie in 4 durch einen in einer Wandung des Turbinengehäuses 18 vorgesehenen Kühlmittelströmungskanal 19 gezeigt ist. Wie in 4 zu erkennen ist, ist der Kühlmittelströmungskanal 19 bei diesem Ausführungsbeispiel an einer thermisch besonders kritischen Stelle des Turbinengehäuses 18 (Gehäusewandung, die einen zungenförmigen Vorsprung aufweist), angeordnet, um dort eine zusätzliche Kühlleistung zur Verfügung stellen zu können. Auf diese Weise ist eine noch homogenere Temperaturverteilung im Turbinengehäuse 18 möglich. Der Wärmeeintrag vom Turbinengehäuse 18 in das im Kühlmittelströmungskanal 19 geführte flüssige Kühlmittel, zum Beispiel Wasser oder Öl, ist aufgrund der bereits stattfindenden Zwangsluftkühlung mit der Kühlluft 9 in vorteilhafter Weise geringer als ohne Zwangsluftkühlung, so dass das flüssige Kühlmittel weniger beansprucht wird und somit haltbarer ist. Außerdem können die Größe der im Flüssigkeitskühlmittelkreislauf vorhandenen Wärmetauscher vorteilhaft verringert und die erforderliche Pumpleistung im Kühlmittelkreislauf gesenkt werden.
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Zusätzlich zu den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen der Turbinengehäuse 16 und 18 kann ein Turbinengehäuse (nicht dargestellt) auch noch wenigstens eine Kühlrippe (nicht dargestellt) aufweisen, um die Wärmeübertragung von dem Turbinengehäuse an die Umgebung und/oder an die Kühlluft 9 weiter zu steigern. Hierzu kann die Kühlrippe beispielsweise an einer Außenseite des Turbinengehäuses und/oder in dem Kühlluftströmungskanal 17 angeordnet sein.
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5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 20 gemäß der Erfindung beispielhaft mit der Turboladeranordnung 1 aus 1 dar. Wie zu erkennen ist, weist das Kraftfahrzeug 20 einen Luftsammler 21 zum Sammeln von Fahrtluft 22 auf, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 20 in den Kühlluftstrom 9 mündet. Die Fahrtluft 22 wird dem Kühlluftstrom 9 bei dem Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 20 insbesondere über ein Ventil 23 zugeführt, mit dem die Menge der der Kühlluft 9 zugeführten Fahrtluft 22 steuerbar ist. So kann das Ventil 23 beispielsweise bei relativ hohen Fahrgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs 20 teilweise oder vollständig geöffnet werden, um die Kühlleistung der Turboladeranordnung 1 noch weiter zu steigern und somit auch die Pumparbeit des Verdichters 6 und die ihm damit zuzuführende Antriebsleistung so gering wie möglich zu halten.
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Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist nicht auf die hierin offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turboladeranordnung
- 2
- Turbolader
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Abgas
- 5
- Turbine
- 6
- Verdichter
- 7
- Verdichtete Ladeluft
- 8
- Welle
- 9
- Kühlluft
- 10
- Luftfilter
- 11
- Saugseite
- 12
- Ansaugluft
- 13
- Katalysator
- 14
- Turboladeranordnung
- 15
- Ventil
- 16
- Turbinengehäuse
- 17
- Kühlluftströmungskanal
- 18
- Turbinengehäuse
- 19
- Kühlmittelströmungskanal
- 20
- Kraftfahrzeug
- 21
- Luftsammler
- 22
- Fahrtluft
- 23
- Ventil