DE102008033043A1

DE102008033043A1 - Anordnung mit Zylinderkopf und Turbine

Info

Publication number: DE102008033043A1
Application number: DE102008033043A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhlbach
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-01-28
Also published as: CN201474769U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (10) mit einem Zylinderkopf (1), der mindestens einen integrierten Abgaskrümmer (3) zum Abführen von Abgasen über eine aus dem Zylinderkopf (1) austretende Gesamtabgasleitung (4) aufweist, und einer Turbine (2), die ein um eine Drehachse (5) drehbares Laufrad (6) und einen Eintrittsbereich (7) zum Zuführen der Abgase aufweist, bei der die Turbine (2) mit dem Zylinderkopf (1) mittels Schrauben (8a, 8a') in der Art verbunden ist, daß der Eintrittsbereich (7) an die Gesamtabgasleitung (4) anschließt, wozu der Zylinderkopf (1) um die Gesamtabgasleitung (4) herum und zur Gesamtabgasleitung (4) beabstandet angeordnete Bohrungen (8b, 8b') zur Aufnahme der Schrauben (8a, 8a') aufweist und die Turbine (2) um den Eintrittsbereich (7) herum angeordnete Butzen (8c, 8c') zum Durchführen der Schrauben (8a, 8a') aufweist, wobei - die Butzen (8c, 8c') und die Bohrungen (8b, 8b') miteinander fluchten, - zur Ausbildung von mindestens drei Schraubenverbindungen (8, 8') mindestens drei Bohrungen (8b, 8b') und mindestens drei Butzen (8c, 8c') zur Aufnahme von mindestens drei Schrauben (8a, 8a') vorgesehen sind und - mindestens eine Schraubenverbindung (8') auf der dem Laufrad (6) zugewandten Seite des Eintrittsbereichs (7) vorgesehen ist. Es soll eine Anordnung (10) der genannten Art bereitgestellt werden, die - insbesondere hinsichtlich der Aufladung - optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer Anordnung (10) der oben genannten Art, die ...

Description

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.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer derartigen Anordnung für eine Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder d. h. Brennräume miteinander verbunden werden.
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.
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.
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.
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.
Stromabwärts des Krümmers werden die Abgase dann gegebenenfalls einer Turbine, insbesondere einer Turbine eines Abgasturboladers, und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
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.
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.
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.
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.
Um die Aufladung einer Brennkraftmaschine bzw. die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, sind weitere Maßnahmen erforderlich.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein gegebenenfalls vorgesehenes Hitzeschild zur Abschirmung des Turbinengehäuses gegenüber anderen Bauteilen ist von entsprechender Größe.
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.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verwendung für eine derartige Anordnung aufzuzeigen.
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,

– 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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhaft sind aber Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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.
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.
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.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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 p_me gesteigert werden.
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.
Grundsätzlich können zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch mehrere Turbolader eingesetzt werden, deren Turbinen bzw. Verdichter in Reihe bzw. parallel angeordnet sind.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhaft sind aus den zuvor genannten Gründen Ausführungsformen der Anordnung, bei denen der Zylinderkopf mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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.

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.
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.
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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt
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.
1a zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Anordnung 10 mit Zylinderkopf 1 und Turbine 2.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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

Claims

Anordnung (10) mit einem Zylinderkopf (1), der mindestens einen integrierten Abgaskrümmer (3) zum Abführen von Abgasen über eine aus dem Zylinderkopf (1) austretende Gesamtabgasleitung (4) aufweist, und einer Turbine (2), die ein um eine Drehachse (5) drehbares Laufrad (6) und einen Eintrittsbereich (7) zum Zuführen der Abgase aufweist, bei der die Turbine (2) mit dem Zylinderkopf (1) mittels Schrauben (8a, 8a') in der Art verbunden ist, daß der Eintrittsbereich (7) an die Gesamtabgasleitung (4) anschließt, wozu der Zylinderkopf (1) um die Gesamtabgasleitung (4) herum und zur Gesamtabgasleitung (4) beabstandet angeordnete Bohrungen (8b, 8b') zur Aufnahme der Schrauben (8a, 8a') aufweist und die Turbine (2) um den Eintrittsbereich (7) herum angeordnete Butzen (8c, 8c') zum Durchführen der Schrauben (8a, 8a') aufweist, wobei – die Butzen (8c, 8c') und die Bohrungen (8b, 8b') miteinander fluchten, – zur Ausbildung von mindestens drei Schraubenverbindungen (8, 8') mindestens drei Bohrungen (8b, 8b') und mindestens drei Butzen (8c, 8c') zur Aufnahme von mindestens drei Schrauben (8a, 8a') vorgesehen sind, und – mindestens eine Schraubenverbindung (8') auf der dem Laufrad (6) zugewandten Seite des Eintrittsbereichs (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß – die Butze (8c') der mindestens einen Schraubenverbindung (8'), die auf der dem Laufrad (6) zugewandten Seite des Eintrittsbereichs (7) vorgesehen ist, über die Drehachse (5) des Laufrades (6) hinaus nach außen hervorsteht.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Schraubenverbindungen (8, 8') vorgesehen sind.
Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schraubenverbindung (8') auf der dem Laufrad (6) zugewandten Seite des Eintrittsbereichs (7) vorgesehen ist.
Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – der Zylinderkopf (1) mindestens zwei Zylinder aufweist, – jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen aufweist, und – die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers (3) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu der Gesamtabgasleitung (4) zusammenführen.
Anordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen je Zylinder zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung (4) zusammenführen.
Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (2) die Turbine eines Abgasturboladers ist.
Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (2) eine Radialturbine (9) ist.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (2) eine Axialturbine ist.
Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Turbine (2) und dem Zylinderkopf (1) eine Dichtung vorgesehen ist.
Verwendung einer Anordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist.