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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Zylinderkopf, der mindestens
einen integrierten Abgaskrümmer
zum Abführen
von Abgasen über eine
aus dem Zylinderkopf austretende Gesamtabgasleitung aufweist, und
einer Turbine, die ein um eine Drehachse drehbares Laufrad und einen
Eintrittsbereich zum Zuführen
der Abgase aufweist, bei der die Turbine mit dem Zylinderkopf mittels
Schrauben in der Art verbunden ist, daß der Eintrittsbereich an die
Gesamtabgasleitung anschließt,
wozu der Zylinderkopf um die Gesamtabgasleitung herum und zur Gesamtabgasleitung
beabstandet angeordnete Bohrungen zur Aufnahme der Schrauben aufweist und
die Turbine um den Eintrittsbereich herum angeordnete Butzen zum
Durchführen
der Schrauben aufweist, wobei
- – die Butzen
und die Bohrungen miteinander fluchten,
- – zur
Ausbildung von mindestens drei Schraubenverbindungen mindestens
drei Bohrungen und mindestens drei Butzen zur Aufnahme von mindestens
drei Schrauben vorgesehen sind, und
- – mindestens
eine Schraubenverbindung auf der dem Laufrad zugewandten Seite des
Eintrittsbereichs vorgesehen ist.
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Des
Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer
derartigen Anordnung für eine
Brennkraftmaschine.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine
Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
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Brennkraftmaschinen
verfügen über einen Zylinderblock
und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder
d. h. Brennräume
miteinander verbunden werden.
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Der
Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre
eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden
axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit
den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der
Brennkraftmaschine aus.
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Der
Zylinderkopf dient häufig
auch zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern,
benötigt
eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser
Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben
der Verbrennungsgase über
die Auslaßöffnungen
und das Füllen
des Brennraums d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft über die
Einlaßöffnungen.
Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu
ausschließlich
Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine
eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die
Ein- und Auslaßöffnungen
freigeben und verschließen.
Der für die
Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der
Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Es
ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlaß- und Auslaßöffnungen
der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei
eine schnelle Freigabe möglichst
großer
Strömungsquerschnitte
angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu
halten und eine möglichst
gute Füllung
des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives d. h. vollständiges Abführen der
Abgase zu gewährleisten. Nach
dem Stand der Technik werden daher auch zunehmend zwei oder mehr
Einlaß-
bzw. Auslaßöffnungen
vorgesehen.
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Die
Einlaßkanäle, die
zu den Einlaßöffnungen
führen,
und die Auslaßkanäle bzw.
Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind
nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert.
Sind zwei oder mehr Auslaßöffnungen
je Zylinder vorgesehen, werden die Abgasleitungen jedes Zylinders
häufig – innerhalb
des Zylinderkopfes – zu
einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung
zusammengeführt,
bevor diese Teilabgasleitungen dann zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
Die Zusammenführung der
Abgasleitungen bis hin zu der Gesamtabgasleitung wird im allgemein
und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bzw.
Krümmer
bezeichnet. Dabei können
die Abgasleitungen der Zylinder auch gruppenweise zu zwei oder mehr
Gesamtabgasleitungen unter Ausbildung mehrerer Krümmer zusammengeführt werden.
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Stromabwärts des
Krümmers
werden die Abgase dann gegebenenfalls einer Turbine, insbesondere
einer Turbine eines Abgasturboladers, und/oder einem oder mehreren
Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
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Dabei
ist man zum einen bemüht,
die Turbine möglichst
nahe am Auslaß der
Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der
heißen
Abgase, die maßgeblich
vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen
zu können
und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten.
Zum anderen 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.
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In
diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der
Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am
Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem bzw. zwischen Auslaßöffnung am
Zylinder und Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und
der Länge
dieses Teilstückes
erreicht werden kann. Geeignete Werkstoffe sind dabei ebenfalls
zielführend.
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Im
Hinblick auf den Einsatz eines Turboladers wird angestrebt, den
Druckverlust in der Abgasströmung
bis zum Eintritt in die Turbine möglichst gering zu halten, was
durch eine geeignete Strömungsführung und
wiederum durch eine weitestgehende Verkürzung der zu überbrückenden
Wegstrecke d. h. der relevanten Abgasleitungen erreicht werden kann. Zur
Verbesserung des Ansprechverhaltens sollte das Abgasvolumen in den
Abgasleitungen stromaufwärts der
Turbine möglichst
gering sein.
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Um
die zuvor genannten Ziele zu erreichen, wird nach dem Stand der
Technik der Abgaskrümmer vollständig im
Zylinderkopf integriert. Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich
durch eine sehr kompakte Bauweise aus, wobei die Gesamtwegstrecke
der Abgasleitungen des Abgaskrümmers
und das Volumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine durch die Integration
minimiert werden. Die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes
führt zudem
zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung
der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
Ein dichtes Packaging der Antriebseinheit wird durch die kompakte
Bauweise ermöglicht.
Ein Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Abgaskrümmer ist
daher auch ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Um
die Aufladung einer Brennkraftmaschine bzw. die Drehmomentcharakteristik
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, sind weitere Maßnahmen
erforderlich.
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Insbesondere
die motornahe Anordnung der Turbine am bzw. die Verbindung der Turbine
mit dem Zylinderkopf gestaltet sich – auch aufgrund der beengten
Platzverhältnisse – schwierig.
Nach dem Stand der Technik wird die Turbine im Eintrittsbereich mit
einem Flansch ausgestattet und mit vier oder mehr Schraubenverbindungen
am Zylinderkopf befestigt. Hierzu werden vier oder mehr Butzen zum Durchführen der
Schrauben rings um den Eintrittsbereich der Turbine herum angeordnet,
wobei die Butzen häufig
regelmäßig zueinander
beabstandet und in der Art angeordnet sind, dass mindestens zwei Butzen
auf der dem Laufrad zugewandten Seite des Eintrittsbereichs und
mindestens zwei Butzen auf der dem Laufrad abgewandten Seite des
Eintrittsbereichs angeordnet sind.
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Bei
der konstruktiven Auslegung des Turbinengehäuses muß darauf geachtet werden, dass
für die
Montage von Turbine und Zylinderkopf um die Butzen herum ausreichend
Platz für
die Montagewerkzeuge vorgesehen wird, damit diese mit den Schrauben
in Eingriff gebracht werden können.
Diese konstruktive Anforderung an das Turbinengehäuse führt dazu,
dass das Gehäuse
vergleichsweise groß d.
h. voluminös
dimensioniert und das Laufrad der Turbine weit beabstandet zum Eintrittsbereich
angeordnet wird, was eine Vielzahl von Nachteilen mit sich bringt.
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Das
große
und voluminöse
Gehäuse
benötigt
den entsprechenden Bauraum, was einem dichten Packaging entgegen
steht. Zudem ist ein derartiges Gehäuse entsprechend schwer, was
dem grundsätzlichen
Ziel der Gewichtsreduzierung im Fahrzeugbau entgegen steht und eine
entsprechende Dimensionierung der Schraubenverbindungen zur sicheren
Befestigung des Gehäuses
erfordert.
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Auch
die Herstellungskosten steigen infolge des erhöhten Materialbedarfs erheblich,
da der für das
thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff
vergleichsweise kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu
dem für
den Zylinderkopf verwendeten Werkstoff; beispielweise Aluminium.
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Hinsichtlich
der Aufladung der Brennkraftmaschine ist es ein erheblicher Nachteil,
dass das Laufrad der Turbine weit beabstandet zum Eintrittsbereich
angeordnet ist, wodurch sich die Wegstrecke der heißen Abgase
vom Eintrittsbereich bis hin zum Laufrad verlängert und sich das Abgasvolumen stromaufwärts des
Laufrades vergrößert. Hierdurch verschlechtert
sich das Ansprechverhalten einer Abgasturboaufladung und die thermische
Trägheit
der Abgaszuführung
vergrößert sich.
Zudem weist ein großes
Turbinengehäuse
eine entsprechend große Gehäuseoberfläche auf, über die
eine entsprechend große
Wärmemenge
abgeführt
und damit den Abgasen entzogen wird. Die für die Aufladung maßgebliche
Abgasenthalpie am Eintritt in das Turbinenlaufrad nimmt infolge
eines grundsätzlich
ungewollten Druck- und Temperaturverlustes in der Abgasströmung bis
hin zum Laufrad ab.
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Ein
gegebenenfalls vorgesehenes Hitzeschild zur Abschirmung des Turbinengehäuses gegenüber anderen
Bauteilen ist von entsprechender Größe.
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Vor
dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen,
die hinsichtlich der oben genannten Zielsetzungen, insbesondere
hinsichtlich der Aufladung, optimiert ist.
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Eine
weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung
für eine
derartige Anordnung aufzuzeigen.
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Gelöst wird
die erste Aufgabe durch eine Anordnung mit einem Zylinderkopf, der
mindestens einen integrierten Abgaskrümmer zum Abführen von Abgasen über eine
aus dem Zylinderkopf austretende Gesamtabgasleitung aufweist, und
einer Turbine, die ein um eine Drehachse drehbares Laufrad und einen
Eintrittsbereich zum Zuführen
der Abgase aufweist, bei der die Turbine mit dem Zylinderkopf mittels
Schrauben in der Art verbunden ist, daß der Eintrittsbereich an die
Gesamtabgasleitung anschließt, wozu
der Zylinderkopf um die Gesamtabgasleitung herum und zur Gesamtabgasleitung
beabstandet angeordnete Bohrungen zur Aufnahme der Schrauben aufweist
und die Turbine um den Eintrittsbereich herum angeordnete Butzen
zum Durchführen
der Schrauben aufweist, wobei
- – die Butzen
und die Bohrungen miteinander fluchten,
- – zur
Ausbildung von mindestens drei Schraubenverbindungen mindestens
drei Bohrungen und mindestens drei Butzen zur Aufnahme von mindestens
drei Schrauben vorgesehen sind, und
- – mindestens
eine Schraubenverbindung auf der dem Laufrad zugewandten Seite des
Eintrittsbereichs vorgesehen ist,
und die dadurch gekennzeichnet
ist, daß - – die
Butze der mindestens einen Schraubenverbindung, die auf der dem
Laufrad zugewandten Seite des Eintrittsbereichs vorgesehen ist, über die
Drehachse des Laufrades hinaus nach außen hervorsteht.
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Erfindungsgemäß wird die
mindestens eine Schraubenverbindung, die auf der dem Laufrad zugewandten
Seite des Eintrittsbereichs liegt, nach außen verlängert, indem die Butze dieser
Verbindung in Richtung ihrer Längsachse
verlängert
wird. Dadurch kommt auch der Schraubenkopf dieser Schraubenverbindung
weiter außen
zu liegen, so dass das Montagewerkzeug zumindest in Bezug auf diese
Schraubenverbindung nicht mehr bis in die unmittelbare Nähe des Eintrittsbereichs
der Turbine einführbar sein
muß, um
mit der Schraube dieser Schraubenverbindung im Rahmen der Montage
in Eingriff gebracht zu werden.
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Erreicht
wird dies dadurch, daß die
Butze dieser Verbindung in der Art ausgebildet wird, daß die Butze über die
Drehachse des Laufrades hinaus nach außen hervorsteht, d. h. in der
Art, daß das
freie Ende dieser Butze auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite
einer gedachten Ebene, welche durch die Drehachse des Laufrades
geht und senkrecht auf den Schraubenverbindungen steht, zu liegen
kommt.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
der mindestens einen auf der dem Laufrad zugewandten Seite des Eintrittsbereichs
vorgesehenen Schraubenverbindung beseitigt die weiter oben ausführlich dargelegten
Nachteile, die eine herkömmliche
Verbindung von Turbine und Zylinderkopf gemäß dem Stand der Technik mit
sich bringt, und löst
damit die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine
Anordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die insbesondere hinsichtlich der
Aufladung optimiert ist.
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Insbesondere
gestattet die erfindungsgemäße Ausbildung
der mindestens einen Schraubenverbindung eine motornahe Anordnung
des Turbinenlaufrades am Zylinderkopf bzw. an der Gesamtabgasleitung,
wodurch sich die Wegstrecke für
die heißen
Abgase vom Eintrittsbereich der Turbine bis hin zum Laufrad der
Turbine erheblich verkürzt.
Dadurch wird sowohl der Druck- und Temperaturverlust im Abgas als
auch das Abgasvolumen stromaufwärts
des Laufrades vermindert, so dass die nutzbare Abgasenthalpie erhöht und das
Ansprechverhalten verbessert werden.
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Dadurch,
dass kein Platz für
Montagewerkzeuge auf der dem Laufrad zugewandten Seite des Eintrittsbereichs
vorgesehen werden muß,
kann das Gehäuse
kompakter und vergleichsweise klein ausgeführt werden. Der Schwerpunkt
der Turbine weist erfindungsgemäß einen
geringeren Abstand zum Zylinderkopf auf.
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Das
Gehäuse
wird kleinvolumiger, benötigt entsprechend
weniger Bauraum, was ein dichtes Packaging ermöglicht, und weist ein geringeres
Gewicht auf, weshalb die Schraubenverbindungen zur sicheren Befestigung
des Gehäuses
kleiner dimensioniert werden können.
Infolge des geringeren Materialbedarfs sinken auch die Herstellungskosten.
Ein gegebenenfalls vorgesehenes Hitzeschild kann entsprechend dem
kleineren Turbinengehäuse
ebenfalls kleiner dimensioniert werden.
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Der
Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Anordnung
verfügt über mindestens
einen vollständig
im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer, weshalb die Wegstrecken
der einzelnen Abgasleitungen bis hin zur Gesamtabgasleitung vergleichsweise
kurz sind. Der erfindungsgemäße Zylinderkopf
grenzt sich insofern von Konzepten ab, bei denen der Zylinderkopf über einen
nur teilweise integrierten Krümmer verfügt.
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Weist
der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur
die Abgasleitungen von zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes
zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls
um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Ausführungsformen
des Zylinderkopfes mit beispielsweise vier in Reihe angeordneten
Zylindern, bei denen die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die
Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung
zusammengeführt
werden, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
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Vorteilhaft
sind aber Ausführungsformen,
bei denen die Abgasleitungen sämtlicher
Zylinder des Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen
Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Die
Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet
werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des
wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Alternativ oder zusätzlich kann eine
Leitung vorgesehen werden, mit der bei Umgehung der Turbine Abgas
abgeblasen wird.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Turbine, bei denen stromaufwärts
des Laufrades Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet
sind. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades
rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine mit.
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Verfügt die Turbine über eine
feste unveränderliche
Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern
zudem völlig
unbeweglich d. h. starr fixiert. Wird hingegen eine Turbine mit
variabler Geometrie eingesetzt, sind die Leitschaufeln zwar auch
stationär
angeordnet, aber nicht völlig
unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar angeordnet, so dass auf
die Anströmung
der Laufschaufeln Einfluß genommen
werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Anordnung
werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen drei Schraubenverbindungen vorgesehen sind.
Drei Schraubenverbindungen genügen,
um Kräfte
und Momente in zufriedenstellender Weise aufzunehmen, da die Turbine
ein vergleichsweise geringes Gewicht aufweist und der Schwerpunkt
der Turbine erfindungsgemäß näher am Zylinderkopf
liegt, so dass die Verbindung im Vergleich zum Stand der Technik
kleinere Kräfte
und Momente aufzunehmen hat. Mit dem Wegfall einer Schraubenverbindung
entfällt
auch eine Bohrung zur Aufnahme der Schraube im mechanisch ohnehin hoch
belasteten Zylinderkopf.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen eine Schraubenverbindung auf der dem Laufrad
zugewandten Seite des Eintrittsbereichs vorgesehen ist. Da die Schraubenverbindungen,
die auf der dem Laufrad abgewandten Seite des Eintrittsbereichs
vorgesehen sind, leicht für
Montagewerkzeuge zu erreichen sind, muß vorliegend nur die Butze
einer einzigen Schraubenverbindungen über die Drehachse des Laufrades
hinaus nach außen verlängert werden.
Da die verlängerte
Butze einen erhöhten
Materialbedarf bedingt und damit eine Erhöhung des Gewichts, ist es vorteilhaft,
wenn so wenige Butzen wie möglich
nach außen
verlängert
werden.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen
- – der Zylinderkopf mindestens
zwei Zylinder aufweist,
- – jeder
Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen
aufweist, und
- – die
Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung des
integrierten Abgaskrümmers
innerhalb des Zylinderkopfes zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Wie
bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ist es während des
Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ein vorrangiges
Ziel, möglichst
schnell möglichst
große
Strömungsquerschnitte
freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten,
weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslaßöffnung je Zylinder vorteilhaft
ist.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen zunächst
die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen je Zylinder zu einer
dem Zylinder zugehörigen
Teilabgasleitung zusammenführen,
bevor diese Teilabgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Das
stufenweise Zusammenführen
der Abgasleitungen via Teilabgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung
trägt zu
einer kompakteren d. h. weniger voluminösen Bauweise des Zylinderkopfes und
damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren
Packaging im Motorraum bei. Zudem wird die Gesamtwegstrecke der
Abgasleitungen des Abgaskrümmers
weiter verkürzt.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen die Turbine die Turbine eines Abgasturboladers
ist. Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine
auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und
entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die
Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine
und schließlich
an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls
auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert
die ihm zugeführte
Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder bzw. der Brennkraftmaschine
erreicht wird.
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Die
Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
Die für
den Verbrennungsprozeß benötigte Luft
wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel d.
h. pro Arbeitsprozeß eine
größere Luftmasse
zugeführt werden
kann. Dadurch können
die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme gesteigert
werden.
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Die
Aufladung ist daher 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, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger
ist.
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Grundsätzlich können zur
Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch
mehrere Turbolader eingesetzt werden, deren Turbinen bzw. Verdichter
in Reihe bzw. parallel angeordnet sind.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen die Turbine eine Radialturbine ist. Bei
einer Radialturbine erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln des
Laufrades im Wesentlichen radial d. h. die Geschwindigkeitskomponente
in radialer Richtung ist größer als
die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor
der Strömung schneidet
die Welle der Turbine in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt
radial verläuft.
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Um
die Laufschaufeln radial anströmen
zu können,
wird die Zuführung
des Abgases vorzugsweise als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet,
so dass die Anströmung des
Abgases zum Turbinenlaufrad radial erfolgt.
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Vorteilhaft
sind aber auch Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen die Turbine eine Axialturbine ist. Bei
einer Axialturbine erfolgt die Anströmung der Laufradschaufeln im
Wesentlichen axial d. h. die Geschwindigkeitskomponente in axialer
Richtung ist größer als
die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor
der Anströmung
im Bereich des Laufrades verläuft
parallel zur Welle der Turbine, falls die Anströmung exakt axial verläuft.
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Die
Zuführung
des Abgases erfolgt auch bei Axialturbinen häufig mittels Spiral- oder Schneckengehäuse. Grundsätzlich besteht
aber bei Axialturbinen die Möglichkeit,
das Abgas axial zuzuführen,
so dass keine Umlenkung bzw. Richtungsänderung des Abgases stromaufwärts des
Laufrades vorgenommen wird bzw. vorgenommen werden muß, was – wie oben
beschrieben – unter
energetischen Aspekten Vorteile bietet, weil damit ein möglichst
energiereicher Abgasstrom an der Turbine bereitgestellt wird.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen zwischen der Turbine und dem Zylinderkopf
eine Dichtung vorgesehen ist. Durch das Vorsehen einer Dichtung
wird ein Leckagestrom wirksam verhindert.
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Infolge
der Integration mindestens eines Abgaskrümmers ist der erfindungsgemäße Zylinderkopf thermisch
höher belastet
als ein herkömmlicher
Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, weshalb
höhere
Anforderungen an die Kühlung
gestellt werden.
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Grundsätzlich besteht
die Möglichkeit,
die Kühlung
in Gestalt einer Luftkühlung
oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Aufgrund
der wesentlich höheren
Wärmekapazität von Flüssigkeiten
gegenüber
Luft können
mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich
größere Wärmemengen
abgeführt
werden als dies mit einer Luftkühlung
möglich
ist.
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Die
Flüssigkeitskühlung erfordert
die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit
einem Kühlmittelmantel
d. h. die Anordnung von das Kühlmittel
durch den Zylinderkopf führenden
Kühlmittelkanälen. Die
Wärme wird
bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit
Additiven versetztes Wasser, 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.
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Vorteilhaft
sind aus den zuvor genannten Gründen
Ausführungsformen
der Anordnung, bei denen der Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel
ausgestattet ist.
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Vorteilhaft
sind dabei Ausführungsformen, bei
denen
- – der
Kühlmittelmantel
einen unteren Kühlmittelmantel,
der zwischen dem integrierten Abgaskrümmer und einer Montage-Stirnseite
des mindestens einen Zylinderkopfes, an der dieser Zylinderkopf
mit einem Zylinderblock verbindbar ist, angeordnet ist, und einen
oberen Kühlmittelmantel,
der auf der dem unteren Kühlmittelmantel
gegenüberliegenden
Seite des Abgaskrümmers
angeordnet ist, aufweist, und
- – beabstandet
zum Abgaskrümmer
an der den Zylindern abgewandten Seite des Abgaskrümmers in
einer Außenwandung
des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitung austritt, mindestens eine
Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen
Kühlmittelmantel
vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens
eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die
Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Damit
ist im Zylinderkopf mindestens eine Verbindung der Kühlmittelmäntel auf
der den Zylindern des Zylinderkopfes abgewandten Seite des integrierten
Abgaskrümmers angeordnet.
Die mindestens eine Verbindung liegt somit außerhalb des integrierten Abgaskrümmers. Bei
der Verbindung handelt es sich um einen Kühlmittelkanal.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen,
bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und
der Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser, vorzugsweise
kleiner ist als die Hälfte
bzw. ein Viertel des Durchmessers eines Zylinders, wobei sich der
Abstand als Wegstrecke zwischen der Außenwand der Gesamtabgasleitung
und der Außenwand
der mindestens einen Verbindung ergibt.
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Vorteilhaft
ist die Verwendung einer Anordnung nach einer der zuvor genannten
Arten insbesondere bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, da
die an der Turbine gewonnene Energie auf diese Weise für die Aufladung
der Brennkraftmaschine genutzt werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den 1a und 1b näher beschrieben.
Hierbei zeigt
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1a schematisch
in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Anordnung mit
Zylinderkopf und Turbine, und
-
1b schematisch
die in 1a dargestellte Ausführungsform
in einer um 90 Grad gedrehten Ansicht.
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1a zeigt
schematisch in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform
der Anordnung 10 mit Zylinderkopf 1 und Turbine 2.
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Der
Zylinderkopf 1 verfügt über einen
integrierten Abgaskrümmer 3 zum
Abführen
von Abgasen über
eine aus dem Zylinderkopf 1 austretende Gesamtabgasleitung 4.
Die Turbine 2 weist einen Eintrittsbereich 7 zum
Zuführen
der Abgase auf, wobei der Eintrittsbereich 7 unmittelbar
an die Gesamtabgasleitung 4 anschließt.
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Ausgehend
vom Eintrittsbereich 7 wird das Abgas via Spiralgehäuse 12 dem
stromabwärts
angeordneten und um eine Drehachse 5 drehbar gelagerten
Laufrad 6 der Turbine 2 zugeführt. Die Turbine 2 ist
eine Radialturbine 9.
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Drei
Schraubenverbindungen 8, 8' dienen dazu, die Turbine 2 mit
dem Zylinderkopf 1 zu verbinden, wobei eine Schraubenverbindung 8' auf der dem
Laufrad 6 zugewandten Seite des Eintrittsbereichs 7 und
zwei Schraubenverbindungen 8 auf der dem Laufrad 6 abgewandten
Seite des Eintrittsbereichs 7 vorgesehen sind.
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Zur
Ausbildung der drei Schraubenverbindungen 8, 8' mittels Schrauben 8a, 8a' weist der Zylinderkopf 1 drei
um die Gesamtabgasleitung 4 herum und zur Gesamtabgasleitung 4 beabstandet
angeordnete Bohrungen 8b, 8b' zur Aufnahme der Schrauben 8a, 8a' auf. Die Turbine 2 verfügt über drei um
den Eintrittsbereich 7 herum angeordnete Butzen 8c, 8c' zum Durchführen der
Schrauben 8a, 8a'.
Das Turbinengehäuse 11 der
Turbine 2 ist in der Nähe des
Eintrittsbereichs 7 mit einem Flansch 14 ausgestattet,
um die Butzen 8c, 8c' aufzunehmen bzw. auszubilden.
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Die
Butze 8c' der
Schraubenverbindung 8', die
auf der dem Laufrad 6 zugewandten Seite des Eintrittsbereichs 7 vorgesehen
ist, ragt über
die Drehachse 5 des Laufrades 6 hinaus nach außen hervor. D.
h. das freie Ende dieser Butze 8c' liegt auf der dem Zylinderkopf 1 abgewandten
Seite einer gedachten Ebene 13, welche durch die Drehachse 5 des
Laufrades 6 der Turbine 2 geht und senkrecht auf den
Schraubenverbindungen 8, 8' steht.
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Dadurch
rückt auch
der Schraubenkopf dieser Schraubenverbindung 8' weiter nach
außen
und vom Eintrittsbereich 7 bzw. Zylinderkopf 1 weg.
Zum Festziehen der dazugehörigen
Schraube 8a' muß das Montagewerkzeug
nicht mehr bis in die Nähe
des Eintrittsbereichs 7 bzw. des Zylinderkopfes 1 eingeführt werden,
um mit der Schraube 8a' in
Eingriff gebracht zu werden.
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1b zeigt
schematisch die in 1a dargestellte Ausführungsform
in einer um 90 Grad gedrehten Ansicht. Für dieselben Bauteile wurden
dieselben Bezugszeichen verwendet, weshalb auch auf 1a Bezug
genommen wird.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Turbine
- 3
- Abgaskrümmer
- 4
- Gesamtabgasleitung
- 5
- Drehachse
des Laufrades
- 6
- Laufrad
- 7
- Eintrittsbereich
- 8
- Schraubenverbindung
- 8'
- Schraubenverbindung
- 8a
- Schraube
- 8a'
- Schraube
- 8b
- Bohrung
- 8b'
- Bohrung
- 8c
- Butze
- 8c'
- Butze
- 9
- Radialturbine
- 10
- Anordnung
- 11
- Turbinengehäuse
- 12
- Spiralgehäuse
- 13
- gedachte
Ebene
- 14
- Flansch