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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf und wenigstens einer Turboladerstufe
eines Turboladers, die eine Turbine aufweist.
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Bei
herkömmlichen,
nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen (Otto- oder Dieselmotor)
wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt,
der mit wachsender Drehzahl ansteigt und der die theoretisch erreichbare
Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken,
und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung
eines Abgasturboladers (ATL). Ein Abgasturbolader, oder kurz Turbolader,
ist ein Aufladesystem für
eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine
mit einem erhöhten
Ladeluftdruck beaufschlagt werden.
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Der
detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers
ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader
besteht aus einer (Abgas-)Turbine
im Abgasstrom (Abströmpfad),
die typischerweise über eine
gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt (Anströmpfad) verbunden
ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und
treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt
des Motors, so dass durch diese Verdichtung während des Ansaugtaktes eine größere Menge
Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt, als bei einem
herkömmlichen
Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch
steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die
Leistungsabgabe signifikant erhöht.
Das Zuführen
einer größeren Menge
an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungsprozess nennt man Aufladen.
Die Energie für die
Aufladung wird durch die Turbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie,
die sonst durch das Abgassystem verloren ginge, wird zur Verringerung
der Ansaugverluste benutzt. Durch diese Art der Aufladung steigt
der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Bei
modernen Kraftfahrzeugen besteht der Bedarf, den im Motorraum vorhandenen
Platz effektiv zu nutzen. Dies ist mitunter beim Einsatz eines Turboladers
erschwert. Der Freiheitsgrad bei der Auslegung und dem Design des
Turboladers, und dabei insbesondere dessen Frischluft- und Abgaskanäle, ist
begrenzt. Dies liegt u. a. an der Kopplung zwischen Verdichter und
Turbine.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzsparende
Anordnung eines Turboladers in einem Motorraum zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung können
den abhängigen Ansprüchen entnommen
werden.
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Erfindungsgemäß ist die
Turbine der wenigstens einen Turboladerstufe in dem Zylinderkopf
angeordnet. Dies gewährleistet
eine platzsparende und kompakte Anordnung des Turboladers. Ferner
kann eine Reduzierung des Gewichts erreicht werden. Des Weiteren
können
vorteilhafterweise Geräusche,
die der Turbolader, insbesondere seine Turbine, im Betrieb erzeugt,
durch den Zylinderkopf gedämpft
werden. Dies verringert den Geräuschpegel,
der von der Brennkraftmaschine nach außen abgegeben wird. Vorteilhafterweise
ist es ebenfalls möglich,
eine Wärmestrahlung,
die in einem Motorraum zirkuliert, in dem die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
gegebenenfalls angeordnet ist, zu begrenzen und zu reduzieren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die wenigstens
eine Turboladerstufe einen Verdichter auf, der ebenfalls in dem
Zylinderkopf angeordnet ist. Dies gewährleistet eine besonders platzsparende
und kompakte Anordnung des Turboladers. Von dem Verdichter verdichtete
Luft kann vor teilhafterweise besonders effizient in Zylinder der Brennkraftmaschine
eingespeist werden. Eine Zuleitung zum Zuführen der verdichteten Luft
in die Zylinder kann besonders kompakt ausgestaltet sein.
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In
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Turbine
und der Verdichter der wenigstens einen Turboladerstufe mittels
einer Welle miteinander gekoppelt und die Welle ebenfalls in dem
Zylinderkopf angeordnet ist. Dies gewährleistet eine noch platzsparendere
und kompaktere Anordnung des Turboladers.
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Bevorzugt
weist die Turbine ein Gehäuse
mit einem Abgaseinlass auf. Dieser Abgaseinlass ist mit einer Abgaszuleitung
zum Zuführen
von Abgas zu der Turbine verbunden. Die Abgaszuleitung ist ferner ebenfalls
in dem Zylinderkopf ausgebildet. Die Abgaszuleitung ist in dem Zylinderkopf
insbesondere thermisch geschützt
angebracht. Dadurch wird im Betrieb relativ wenig, durch die heißen Abgase
in der Zuleitung übertragene
Wärme durch
die Zuleitung abgegeben. Dies verbessert die Wirksamkeit der Turbine,
da gegenüber
der herkömmlichen
Anordnung der Abgaszuleitung mehr Wärme in die Turbine gelangt.
Es kann somit ein besonders gutes transientes Verhalten der Brennkraftmaschine,
insbesondere bei deren Start und gegebenenfalls kurz danach, gewährleistet
werden. Ferner kann ein besonders gutes Anspringverhalten eines
Katalysators zum Reduzieren von Abgasemissionen der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden. Der Katalysator befindet sich dabei auf der Abgasseite zwischen
einem Turbinenabgasauslass und einem Auspuff. Bei der herkömmlichen
Anordnung der Abgaszuleitung außerhalb
des Zylinderkopfs stellt sie, vor allem bei transienten Vorgängen der
Brennkraftmaschine, eine Wärmesenke dar,
was insbesondere für
das Aufwärmen
des Katalysators und die Leistung des Turboladers nachteilig ist.
Die Abgaszuleitung ist insbesondere zumindest ein Teil eines Abgaskrümmers, mit
dem insbesondere von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgase aus der
Brennkraftmaschine abtransportiert werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Grenzfläche zwischen
der Abgaszuleitung und/oder dem Turbinengehäuse einerseits und dem Zylinderkopf
andererseits mit einer Wärmeschutzschicht,
insbesondere einer keramischen Wärmeschutzschicht, überzogen. Dadurch
kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass Wärme, die
von den in der Abgaszuleitung und dem Turbinengehäuse vorhandenen
Abgasen transportiert wird, in das Material des Zylinderkopfes übergeleitet
wird. Dies begrenzt die thermische Belastung des Zylinderkopfes.
Ferner gewährleistet
dies einen noch besseren Wirkungsgrad der Turbine.
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Des
Weiteren vorzugsweise weist der Zylinderkopf eine Öleinlassöffnung zum
Einlassen von Öl auf.
Die Turboladerstufe ist dabei so angeordnet, dass sie von in den
Zylinderkopf eingelassenem Öl versorgt
ist. Es ist somit möglich,
Zuleitungen zum Zuführen
des Öls
zum Zylinderkopf auch zum Versorgen der wenigstens einen Turboladerstufe
mit Öl
zu verwenden. Eine zusätzliche,
und damit eigene, Versorgungsleitung zum Versorgen der wenigstens
einen Turboladerstufe mit Öl
ist somit vorteilhafterweise nicht erforderlich. Dies verbessert
weiter den Kompaktheitsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Ferner
ist dies besonders kostengünstig.
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Besonders
bevorzugt weist der Zylinderkopf eine Kühlmitteleinlassöffnung zum
Einlassen von einem Kühlmittel
auf. Die Turboladerstufe ist dabei so angeordnet, dass sie von in
den Zylinderkopf eingelassenem Kühlmittel
versorgt ist. Es ist somit möglich,
Zuleitungen zum Zuführen
des Kühlmittels
zum Zylinderkopf auch zum Versorgen der wenigstens einen Turboladerstufe
mit Kühlmittel
zu verwenden. Eine zusätzliche,
und damit eigene, Versorgungsleitung zum Versorgen der wenigstens
einen Turboladerstufe mit Kühlmittel
ist somit vorteilhafterweise nicht erforderlich. Dies verbessert
noch weiter den Kompaktheitsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Ferner ist dies besonders kostengünstig. Eine zusätzliche
Erwärmung
des Kühlmittels durch
die von der Turbine zugeführte
Wärme kann vorteilhafterweise
für eine
Heizung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, genutzt werden. Mit
der so betriebe nen Heizung kann beispielsweise ein Innenraum des
Kraftfahrzeugs vorteilhafterweise schnell aufgewärmt werden. Als Kühlmittel
kann einfachheitshalber Wasser eingesetzt werden.
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Nachfolgend
werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen
und der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs und
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2 eine
schematische Darstellung eines Zylinderkopfs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
nach 1.
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In
den Figuren sind nachfolgend gleiche oder funktionsgleiche Elemente – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1,
die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist eine
turboaufgeladene Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Otto- oder
ein Dieselmotor. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Motorblock 2 auf, der
im gezeigten Beispiel vier Zylinder 3 und einen Zylinderkopf 4 enthält. Die
Brennkraftmaschine 1 weist in bekannter Weise ferner einen
Ansaugkrümmer 5 sowie
einen Abgaskrümmer 6 auf,
die in 1 lediglich schematisch und stark vereinfacht
angedeutet sind. Der Ansaugkrümmer 5 bildet
somit die (Frisch-)Lufteinlassseite des Motorblocks 2 und
der Abgaskrümmer 6 dessen
Abgasauslassseite.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist einen Turbolader 7 auf,
der in der 1 stark vereinfacht dargestellt
ist. Der Turbolader 7 gemäß 1 ist hier
einstufig ausgebildet, das heißt,
er hat lediglich eine Turboladerstufe 8, die einen Verdichter 9 und
eine Turbine 10 aufweist. Der Verdichter 9 und
die Turbi nen sind mittels einer drehbaren Welle 11 miteinander
gekoppelt. Der Verdichter 9 ist in einem Anströmpfad 12 und
die Turbine 10 in einem Abströmpfad 13 angeordnet.
Der Anströmpfad 12 des
Turboladers 8 ist definiert zwischen einem Frischlufteinlass 14, über den Frischluft
angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 15, über den
durch den Verdichter 9 verdichtete Frischluft vom Turbolader 7 bereitgestellt
wird. Diese abgegebene, verdichtete Frischluft wird der Frischlufteinlassseite
der Brennkraftmaschine 1, d. h. dem Ansaugkrümmer 5,
zugeführt.
Der Ansaugkrümmer 5 ist
hier insofern mit dem Frischluftauslass 15 des Turboladers 7 verbunden.
Der Abströmpfad 13 des
Turboladers 7 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 16, über den
von der Brennkraftmaschine 1 erzeugtes Abgas in den Turbolader 7 eingeleitet
wird, und einem Abgasauslass 17, über den das Abgas ausströmen kann.
Der Abgaskrümmer 6 ist
hier insofern mit dem Abgaseinlass 16 des Turboladers 7 verbunden.
Der Anströmpfad 12 wird
häufig
auch als Ansaugtrakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite
bezeichnet. Der Abströmpfad 13 wird
häufig auch
als Abgaspfad oder Abgasseite bezeichnet.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Zylinderkopfs 4 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 nach 1.
In den Zylinderkopf 4 mündet
an einer Einlassöffnung 18 eine
Zuführleitung 19 zum
Zuführen
von Öl
zu dem Zylinderkopf 4. Ferner mündet in eine weitere Einlassöffnung 20 eine weitere
Zuführleitung 21 zum
Zuführen
von Wasser als Kühlmittel.
Das Wasser dient u. a. zum Kühlen des
Zylinderkopfs 4. Erfindungsgemäß ist der Turbolader 7 in
dem Zylinderkopf 4 angeordnet. 2 ein Verdichtergehäuse 22,
in dem die Bestandteile des Verdichters 9 ausgebildet sind,
ein Turbinengehäuse 23,
in dem die Bestandteile der Turbine 10 ausgebildet sind,
und die Welle 11, die den Verdichter 9 und die
Turbine 10 miteinander koppelt. Das Verdichtergehäuse 22 und
das Turbinengehäuse 23 sowie
die Welle 11 sind in dem Zylinderkopf 4 angeordnet.
In der 2 sind der Frischlufteinlass 14 und der Frischluftauslass 15 am
Verdichtergehäuse 22 schematisch
angedeutet. Entsprechend sind der Abgaseinlass 16 und der
Ab gasauslass 17 am Turbinengehäuse 23 schematisch
angedeutet. In dem Zylinderkopf 4 ist ein Abgaskrümmer 24 integriert,
der in den Abgaseinlass 16 mündet und der Turbine 10 im Betrieb
von der Brennkraftmaschine 1 ausgegebene Abgase zuführt. Der
Abgaskrümmer 24 kann
beispielsweise als Rohrleitungskanal im Material des Zylinderkopfs 4 ausgebildet
sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist eine Grenzfläche
zwischen dem Abgaskrümmer 24 und
dem Material des Zylinderkopfs 4 mit einer keramischen
Wärmeschutzschicht 25 überzogen,
um den Zylinderkopf 4 vor der Wärme zu schützen, die die heißen Abgase
im Abgaskrümmer 24 führen. Gleiches
gilt hier für
das Turbinengehäuse 23,
dessen Außenfläche, die
an das Material des Zylinderkopfs 4 grenzt, ebenfalls mit
der keramischen Wärmeschutzschicht 25 versehen
ist. Vorteilhafterweise ist der gesamte, im Zylinderkopf 4 ausgebildete
Abgaskanal zwischen einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass des
Zylinderkopfs 4 mit der keramischen Wärmeschutzschicht 25 überzogen.
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Aufgrund
der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, aufgrund
der Integration des Turboladers 7 in den Zylinderkopf 4 eine
sehr kompakte Anordnung im Motorraum des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.
Die Anordnung der Komponenten des Turboladers 7 in dem
Zylinderkopf 4 ermöglicht
es vorteilhafterweise ferner, die Öl- und Wasserzufuhr zu dem
Zylinderkopf 4 über
die Zuführleitungen 19 bzw. 21 auch
für die
Komponenten des Turboladers 7 auszunutzen. Das Kühlen des
Verdichtergehäuses 22,
des Turbinengehäuses 23 und
der Welle 11 kann mittels des über die Zuführleitung 21 zugeführten Wassers
erfolgen. Ebenso kann das Versorgen von Komponenten des Turboladers 7,
insbesondere der Welle 11, mit Öl mittels des über die Zuführleitung 19 zugeführten Öls erfolgen.
Zusätzliche
Leitungen oder Rohre zum expliziten Zuführen von Wasser und/oder Öl zu dem
Turbolader 7 sind somit nicht erforderlich. Dies erhöht weiter
den Kompaktheitsgrad der Anordnung. Der Turbolader 7 enthält hier
nur eine einzige Turboladerstufe 8. Es ist aber ebenso
möglich,
die vorliegende Erfindung auf mehrere Turboladerstufen anzuwenden.
Auch bei mehreren Turboladerstufen in dem Turbolader 7 können diese
in dem Zylinderkopf 4 angeordnet sein. Dabei können mehrere
unterschiedliche Möglichkeiten des
Anordnens vorhanden sein. Dies kann insbesondere von der tatsächlichen
Anzahl der Turbinen abhängen.
Beispielsweise ist es möglich,
für jeden
Zylinderauslass eine Turbine vorzusehen. Es kann aber ebenso sein,
dass nur eine einzige Turbine für
einen Zylinderkopf zulässig
ist. Es ist ebenso möglich,
mehrere Turbinen auf einer gemeinsamen Welle auszubilden und diese
einem oder mehreren Turboladern oder Turboladerstufen zuzuordnen.