DE102009000214A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung Download PDF

Info

Publication number
DE102009000214A1
DE102009000214A1 DE102009000214A DE102009000214A DE102009000214A1 DE 102009000214 A1 DE102009000214 A1 DE 102009000214A1 DE 102009000214 A DE102009000214 A DE 102009000214A DE 102009000214 A DE102009000214 A DE 102009000214A DE 102009000214 A1 DE102009000214 A1 DE 102009000214A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
turbine
internal combustion
combustion engine
exhaust
exhaust gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102009000214A
Other languages
English (en)
Inventor
Kai Kuhlbach
Bernd Steiner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Priority to DE102009000214A priority Critical patent/DE102009000214A1/de
Priority to CN201010003171.1A priority patent/CN101782015B/zh
Priority to US12/687,226 priority patent/US8667795B2/en
Publication of DE102009000214A1 publication Critical patent/DE102009000214A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F1/243Cylinder heads and inlet or exhaust manifolds integrally cast together
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/44Passages conducting the charge from the pump to the engine inlet, e.g. reservoirs
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B29/00Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
    • F02B29/04Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/06Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23Layout, e.g. schematics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00Application
    • F05B2220/40Application in turbochargers

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit - mindestens einer Ansaugleitung (8) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Frischluft bzw. Frischgemisch auf einer Einlassseite (10), - einem Zylinderkopf (3) mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse (4) angeordneten Zylindern (3a), von denen jeder mindestens eine Auslassöffnung (13) aufweist, an die sich eine Abgasleitung (6) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (3a) anschließt, wobei die Abgasleitungen (6) von mindestens zwei Zylindern (3a) auf einer Auslassseite (11) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (5) innerhalb des Zylinderkopfes (3) zu einer Gesamtabgasleitung (7) zusammenführen, und - mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine in der Gesamtabgasleitung (7) angeordnete Turbine (2a) und einen in der mindestens einen Ansaugleitung (8) angeordneten Verdichter (2b) umfasst, wobei die Turbine (2a) ein auf einer Laderwelle (2c) vorgesehenes Turbinenlaufrad und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter (2b) ein auf der Laderwelle (2c) angeordnetes Verdichterlaufrad und einen Austrittsbereich zum Abführen der komprimierten Verbrennungsluft aufweist. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art bereitgestellt werden, bei der dem Anforderungsprofil der Turbine (2a) und dem Anforderungsprofil des Verdichters (2b) Rechnung getragen wird. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1), die ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
    • – mindestens einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft bzw. Frischgemisch auf einer Einlaßseite,
    • – einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse angeordneten Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern auf einer Auslaßseite unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
    • – mindestens einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, wobei die Turbine ein auf einer Laderwelle vorgesehenes Turbinenlaufrad und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter ein auf der Laderwelle angeordnetes Verdichterlaufrad und einen Austrittsbereich zum Abführen der komprimierten Verbrennungsluft aufweist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen. Die Anordnung der mindestens zwei Zylinder entlang der Zylinderkopflängsachse beschränkt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht auf Reihenmotoren. Vielmehr ist beispielsweise auch ein Zwei-Zylinder-V-Motor eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse angeordneten Zylindern.
  • Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt. Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader sind darin zu sehen, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht, somit die bereitgestellte Leistung und auf diese Weise den Wirkungsgrad mindert, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
  • Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle, die im Folgenden auch als Laderwelle bezeichnet wird, angeordnet, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Laderwelle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Laderwelle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Laderwelle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder 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 eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme 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. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
  • Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
  • Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung der Brennkraftmaschine ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflußt werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab. Die Aufladung eignet sich daher ebenfalls zur Reduzierung der Schadstoffemissionen.
  • Weitere Ziele bei der Entwicklung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen sind die Verbesserung des Ansprechverhaltens beim instationären Betrieb der Brennkraftmaschine und die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich.
  • Nach dem Stand der Technik wird nämlich ein spürbarer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
  • Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
  • Grundsätzlich kann dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden, was aber zu Nachteilen bei hohen Drehzahlen führt.
  • In der Praxis führen die beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik mehrere Turbolader oder Kombinationen aus Abgasturboladung und mechanischer Aufladung eingesetzt werden.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine, die mindestens einen Abgasturbolader aufweist, wobei auch zwei oder drei Abgasturbolader vorhanden sein können.
  • Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens sollte das Leitungsvolumen der Abgasleitungen von den Zylindern bis hin zur Turbine möglichst klein sein, weshalb man grundsätzlich bemüht ist, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, auch, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase – unter sämtlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine – optimal nutzen zu können. Die Abgase sollten sich bis zum Eintritt in die Turbine möglichst wenig abkühlen.
  • In Zusammenhang mit Letzterem wird es als zielführend angesehen, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
  • Aus den zuvor genannten Gründen werden bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Zusätzlich wird durch diese Maßnahme das Fahrzeuggewicht reduziert und ein effektiveres Packaging im Motorraum ermöglicht.
  • Weisen die Zylinder mehr als eine Auslaßöffnung auf, werden die Abgasleitungen der einzelnen Zylinder vorzugsweise zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden, um auf diese Weise die Gesamtwegstrecke sämtlicher Abgasleitungen weiter zu verkürzen.
  • Stromabwärts des mindestens einen integrierten Krümmers werden die Abgase dann der Turbine mindestens eines Abgasturboladers und gegebenenfalls einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt. Durch den kurzen Weg zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen wird den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt und die Abgasnachbehandlungssysteme erreichen vergleichsweise schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
  • Um die Abgasenergie, die im wesentlichen von der Abgastemperatur und dem Abgasdruck bestimmt wird, möglichst effizient nutzen zu können, sollte das Abgas bzw. sollten die Abgasströmungen nicht nur eine möglichst hohe Temperatur aufweisen, sondern darüber hinaus nicht häufig umgelenkt werden d. h. bis zum Eintritt in das Turbinenlaufrad möglichst geringfügige Richtungsänderungen erfahren. Jede Richtungsänderung der Abgasströmung – beispielsweise infolge einer Krümmung der Abgasleitung – hat einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Energieverlust zur Folge.
  • Aus demselben Grund sollte auch alles vermieden werden, was den Druck im Abgas reduziert und die an der Turbine noch zur Verfügung stehende Abgasenergie verringert. So sollte stromaufwärts der Turbine kein weiteres Aggregat vorgesehen sein, insbesondere kein Abgasnachbehandlungssystem. Ein stromaufwärts der Turbine vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem würde wie ein Drosselelement wirken und den Druck im Abgas mindern.
  • Das im Zusammenhang mit der Turbine hinsichtlich des Ansprechverhaltens und dem Druckverlust Gesagte gilt in analoger Weise auch für den Verdichter auf der Einlaßseite der Brennkraftmaschine. Mit zunehmender Leitungslänge verschlechtert sich das Ansprechverhalten der Abgasturboaufladung und damit das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.
  • Stromabwärts des Verdichters in der Ansaugleitung angeordnete Aggregate mindern den im Verdichter generierten Ladedruck und damit die Masse und den Druck der den Zylindern im Rahmen eines Ladungswechsels zugeführten Verbrennungsluft. Nichtsdestotrotz werden häufig ein Ladeluftkühler und gegebenenfalls ein Drosselelement stromabwärts des Verdichters vorgesehen, wobei der Ladeluftkühler die Dichte der Verbrennungsluft erhöht und damit zu einer besseren Füllung der Brennräume beiträgt.
  • Um den Druckverlust in der Strömung gering zu halten, sollte die im Verdichter komprimierte Verbrennungsluft auf dem Weg bis hin zu den Zylindern so geringfügige Richtungsänderungen erfahren wie möglich, weshalb die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters möglichst wenige Krümmungen aufweisen sollte.
  • Insbesondere Letzteres läßt sich in der Praxis bei Einsatz eines Abgasturboladers nicht in zufriedenstellender Weise realisieren. Um den Anforderungen hinsichtlich der Anordnung der Turbine nachzukommen, wird ein Abgasturbolader nach dem Stand der Technik auf der Abgasseite angeordnet, so dass sich die Turbine möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine bzw. nahe am Abgaskrümmer befindet. Diese Vorgehensweise gewährleistet zwar eine hohe Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine mit den oben genannten Vorteilen, verlängert aber die Ansaugleitung erheblich. Die Ansaugleitung führt ausgehend vom Verdichter von der Abgasseite auf die andere Seite des Zylinderkopfes zur Ansaugseite bis in den Einlaßbereich der Brennkraftmaschine, wobei sie häufig um andere Leitungen und andere an der Brennkraftmaschine angeordnete Aggregate, insbesondere aber den Zylinderkopf, herumgeführt werden muß.
  • Aufgrund dessen weist die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters nicht nur eine unerwünscht große Länge und damit ein unerwünscht großes Leitungsvolumen auf, sondern darüber hinaus auch zahlreiche Krümmungen, mit denen die komprimierte Verbrennungsluft umgelenkt wird. Die Folge dieser Vorgehensweise ist ein spürbarer Druckabfall in der Verbrennungsluft.
  • Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass ein Zielkonflikt zwischen der Anordnung der Turbine einerseits und der Anordnung des Verdichters andererseits besteht. Denn würde der Verdichter entsprechend seinem Anforderungsprofil optimiert angeordnet werden, könnte die Lage der Turbine auf der Abgasseite nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine nicht beibehalten werden und die Position der Turbine müßte auf die Ansaugseite verlegt werden.
  • Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Problemen überwunden werden und bei der insbesondere dem Anforderungsprofil der Turbine und dem Anforderungsprofil des Verdichters Rechnung getragen wird.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
    • – mindestens einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft bzw. Frischgemisch auf einer Einlaßseite,
    • – einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse angeordneten Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern auf einer Auslaßseite unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
    • – mindestens einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, wobei die Turbine ein auf einer Laderwelle vorgesehenes Turbinenlaufrad und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter ein auf der Laderwelle angeordnetes Verdichterlaufrad und einen Austrittsbereich zum Abführen der komprimierten Verbrennungsluft aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – der Abgasturbolader in der Art angeordnet ist, dass die Laderwelle quer zu der Zylinderkopflängsachse verläuft, wobei die Turbine auf der Auslaßseite und der Verdichter auf der Einlaßseite angeordnet sind.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine schneidet die Laderwelle eine durch die Zylinderkopflängsachse verlaufende Ebene, so dass die Turbine auf der Auslaßseite des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine und der Verdichter auf der Einlaßseite des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine zu liegen kommen.
  • Die ”Einlaßseite” und ”Auslaßseite” werden dabei vereinfachend durch die Zylinderkopflängsachse voneinander getrennt, liegen also auf verschiedenen Seiten der Zylinderkopflängsachse, wobei auf der Einlaßseite unter anderem die Einlaßöffnungen der Zylinder und die zugehörigen Ansaugleitungen und auf der Auslaßseite die Auslaßöffnungen und die sich anschließenden Abgasleitungen angeordnet sind.
  • Sowohl der Verdichter als auch die Turbine liegen damit auf der für ihre Funktion maßgeblichen und vorteilhaften Seite des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers läßt sich der nach dem Stand der Technik bestehende Zielkonflikt zwischen einer funktionsoptimierten Anordnung von Turbine und Verdichter auflösen.
  • So kann bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine der Verdichter nahe am Einlaß d. h. am Einlaßbereich angeordnet werden und gleichzeitig eine auslaßnahe Anordnung der Turbine realisiert bzw. beibehalten werden. Damit läßt sich sowohl stromabwärts des Verdichters eine kurze Ansaugleitung als auch stromaufwärts der Turbine ein kurzes Abgasabführsystem d. h. ein kurzes Abgasleitungssystem verwirklichen, was die bereits weiter oben ausführlich dargelegten Vorteile mit sich bringt.
  • Die vergleichsweise kurzen Leitungen führen zu einer Verbesserung des Ansprechverhaltens auf beiden Seiten des Abgasturboladers, wobei den der Turbine zugeführten Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird.
  • Insbesondere kann die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters nicht nur wesentlich kürzer, sondern geometrisch auch deutlich einfacher d. h. mit weniger Krümmungen ausgebildet werden, was den Abfall des Ladedrucks infolge Strömungsumlenkungen beim Durchströmen der Ansaugleitung spürbar mindert.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung des Abgasturboladers ermöglicht zudem ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit, auch weil das Erfordernis entfällt, die Ansaugleitung ausgehend von der Abgasseite bis hin zur Einlaßseite – um den Zylinderkopf herum – verlegen zu müssen.
  • Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der sowohl dem Anforderungsprofil der Turbine als auch dem Anforderungsprofil des Verdichters gleichzeitig Rechnung getragen wird.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Laderwelle senkrecht zu der Zylinderkopflängsachse verläuft. Diese Anordnung des Laders bzw. der Laderwelle gestattet eine möglichst nahe Plazierung des Laders am Zylinderkopf bzw. Zylinderblock und unterstützt damit unter anderem ein dichtes Packaging im Motorraum, aber auch eine weitestgehende Verkürzung der relevanten Leitungen auf beiden Seiten der Brennkraftmaschine.
  • Gegebenenfalls ist der Lader entsprechend einer Weiterbildung der vorliegenden Ausführungsform zumindest teilweise in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock der Brennkraftmaschine integriert, so dass zumindest Teile des Laders und der Zylinderkopf bzw. Zylinderblock ein monolithisches Bauteil bilden, wozu ein senkrechter Verlauf der Laderwelle zur Zylinderkopflängsachse nicht zwingend, aber vorteilhaft ist. Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erweist sich auch als besonders vorteilhaft, falls der Lader via Zylinderkopf bzw. Zylinderblock mit Kühlmittel und/oder Öl versorgt wird.
  • Ein senkrechter Verlauf der Laderwelle zur Zylinderkopflängsachse kann auch Vorteile bieten hinsichtlich der Anströmbedingungen der Turbine und/oder den Strömungsbedingungen, unter denen die Verbrennungsluft den Verdichter verläßt und dem Einlaßbereich zugeführt wird, worauf weiter unten noch im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Bauweisen von Turbine und Verdichter eingegangen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Abgasturbolader seitlich an einer Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Stirnseite eine Seite des Zylinderkopfes bezeichnet wird, die senkrecht zur Zylinderkopflängsachse verläuft und in der Regel kürzer ist als eine der beiden Zylinderkopflängsseiten.
  • Der Abgasturbolader wird vorzugsweise auf der Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet, an der sich das Getriebe befindet, welches mit der im Zylinderblock gelagerten Kurbelwelle verbunden ist. Eine Anordnung des Abgasturboladers oberhalb des Getriebes ermöglicht ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit den Abgasturbolader oberhalb des Zylinderkopfes oder unterhalb des Zylinderblocks anzuordnen, um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auszubilden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Ölversorgung des Abgasturboladers via Zylinderkopf vorgesehen ist. Dabei wird eine Leitung zur Versorgung des Abgasturboladers mit Öl vom Ölleitungssystem des Zylinderkopfes abgezweigt. Das Öl dient der Schmierung der Lagerung der Laderwelle, welche – auch aufgrund der sehr hohen Drehzahlen – in der Regel als Gleitlager d. h. hydrodynamisches Lager ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang – wie bereits erwähnt – Ausführungsformen, bei denen der Lader zumindest teilweise in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock der Brennkraftmaschine integriert ist, so dass zumindest Teile des Laders und der Zylinderkopf bzw. Zylinderblock ein monolithisches Bauteil bilden.
  • Bei dieser Ausführungsform kann die Leitung zur Ölversorgung des Abgasturboladers in den Zylinderkopf bzw. den Lader integriert werden. Eine externe Leitung zur Ölversorgung wird vermieden und damit die Ausbildung und Abdichtung der Verbindungsstellen zwischen Leitung und Lader bzw. zwischen Leitung und Zylinderkopf. Das Öl kann dem Zylinderkopf entnommen und dem Lader zugeführt werden, ohne dass die Gefahr einer Leckage besteht. Des Weiteren führt die Integration der Leitung zu einer Verringerung der Anzahl an Bauteilen und zu einer kompakteren Bauweise.
  • Eine Ölversorgung des Abgasturboladers kann auch via Zylinderblock erfolgen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Brennkraftmaschine mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
  • Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen.
  • Da mit einer Flüssigkeitskühlung aber wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können und der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine infolge des vollständig integrierten Abgaskrümmern thermisch höher belastet ist als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, ist es bei einem Zylinderkopf der vorliegenden Art vorteilhaft, eine Flüssigkeitskühlung einzusetzen, insbesondere, wenn berücksichtigt wird, dass die thermische Belastung bei aufgeladenen Motoren nochmals höher ist und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ein aufgeladene Brennkraftmaschine 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.
  • Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit vollständig integriertem Abgaskrümmer ist eine effiziente Kühlung erforderlich. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen dem Abgaskrümmer und einer Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes, an der der 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. Vorzugsweise wird mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
  • Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der Turbine verbunden ist.
  • Wird die Turbine nicht wie nach dem Stand der Technik mittels Luftkühlung gekühlt, sondern mittels einer Flüssigkeitskühlung, kann aufgrund der wesentlich höheren Kühlleistung einer Flüssigkeitskühlung gegenüber einer Luftkühlung auf die Verwendung thermisch hochbelastbarer Werkstoffe zur Herstellung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden. Der Einsatz kostenintensiver – häufig nickelhaltiger – Werkstoffe ist dann nicht mehr erforderlich bzw. stark reduziert.
  • Aufgrund der Tatsache, dass das Abgas vorliegend bereits beim Durchströmen der Turbine gekühlt wird, kann, falls stromabwärts der Turbine im Rahmen einer Abgasrückführung Abgas aus der Abgasleitung abgezweigt wird, ein für die Kühlung des rückzuführenden Abgases vorgesehener Kühler kleiner dimensioniert werden.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. Während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ist es 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 vorteilhaft ist.
  • Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
  • Diese Ausgestaltung des integrierten Systems von Abgasleitungen verkürzt die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen. Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zudem zu einer kompakteren d. h. weniger voluminösen Bauweise des Zylinderkopfes und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Turbine kein weiteres Aggregat angeordnet ist.
  • Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters kein weiteres Aggregat angeordnet ist.
  • Die beiden zuvor genannten Ausführungsformen erweisen sich bei der Erhaltung des Ladedrucks bis zum Eintritt in die Zylinder bzw. der Erhaltung des Abgasdrucks bis zum Eintritt in die Turbine als vorteilhaft. Der Druckverlust stromabwärts des Verdichters bzw. stromaufwärts der Turbine wird begrenzt.
  • Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen ein Ladeluftkühler und/oder ein Drosselelement stromabwärts des Verdichters vorgesehen werden, wobei der Ladeluftkühler die Dichte der Verbrennungsluft erhöht und damit zu einer besseren Füllung der Zylinder beiträgt und das Drosselelement beispielweise zur Laststeuerung dienen kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eine Radialturbine ist. Bei Radialturbinen erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen radial. ”Im Wesentlichen radial” bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse des Abgasturboladers und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft.
  • Damit die Laufschaufeln radial angeströmt werden, kann der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet werden. Bei einer derartigen Radialturbine wird der Eintrittsbereich der Radialturbine vorzugsweise koaxial zu der in die Turbine einmündenden Gesamtabgasleitung ausgebildet, was strömungstechnische Vorteile bietet.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers gestattet eine Radialturbine eine weitestgehend geradlinige Führung der Gesamtabgasleitung, wobei die Gesamtabgasleitung stromaufwärts der Turbine vorzugsweise mit nur einer Krümmung versehen wird. Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung stromaufwärts der Turbine höchstens eine Krümmung aufweist, so dass die Abgasströmung höchstens eine Richtungsänderung erfährt, gewährleisten eine möglichst verlustarme Zuführung der Abgasströmung zur Turbine.
  • Die Turbine des Abgasturboladers kann auch als Axialturbine ausgeführt werden, bei der die Anströmung der Laufradschaufeln im Wesentlichen axial erfolgt, wobei ”im Wesentlichen axial” bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Welle bzw. Achse des Abgasturboladers, falls die Anströmung exakt axial verläuft.
  • Der Eintrittsbereich einer Axialturbine kann ebenfalls als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet werden, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des Abgases schräg bzw. radial zur Welle verläuft bzw. geführt wird.
  • Die Anströmung der Laufschaufeln einer Axialturbine kann aber auch axial erfolgen, wobei der Eintrittsbereich vorzugsweise koaxial zur Welle der Axialturbine ausgebildet wird, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen axial erfolgt. Eine derartige Zuführung des Abgases zur Turbine verhindert größere d. h. spürbare Druckverluste in der Abgasströmung infolge Strömungsumlenkung und führt damit zur Bereitstellung eines möglichst energiereichen Abgases an der Turbine.
  • Hingegen erfordert die Zuführung des Abgases mittels Spiral- oder Schneckengehäuse die mehrfache Umlenkung des Abgases bzw. der Abgasströmungen mit großen Richtungsänderungen, was einen Druckverlust in der Abgasströmung bedingt.
  • Der Einsatz einer Axialturbine führt zu einem verbesserten Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine infolge einer verbesserten Beschleunigung des Laufrades, insbesondere aufgrund des geringeren Trägheitsmomentes des Laufzeugs der Turbine. Das Drehmoment der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen erhöht sich, da Axialturbinen – im Vergleich zu Radialturbinen gleicher Durchflußkapazität – infolge ihres kleineren effektiven Strömungsquerschnittes ein verbessertes Aufstauverhalten aufweisen. Das Turbinendruckverhältnis einer Axialturbine ist dadurch größer in diesem Betriebszustand.
  • Hat die Brennkraftmaschine drei oder mehr Zylinder sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Turbine eine mehrflutige Turbine ist, bei der der Eintrittsbereich mehrere Eintrittskanäle aufweist, in die gruppenweise zusammengefaßte Abgasleitungen der mindestens drei Zylinder münden.
  • Mehrflutige Turbinen gestatten es, die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise zusammenzuführen und diese gruppenweise zusammengefaßten Abgasleitungen getrennt voneinander der Turbine zu zuführen. Dabei werden die Abgasleitungen vorzugsweise in der Art zusammengefaßt d. h. zusammengeführt, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen nicht gegenseitig abschwächen. Hierzu verfügt die Brennkraftmaschine vorzugsweise über vier oder mehr Zylinder. Eine mehrflutige Turbine eignet sich für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
  • Vorteilhaft können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen im Eintrittsbereich 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 im Eintrittsbereich angeordnet 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.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Axialverdichter ist. Im Gegensatz zu Turbinen wird bei Verdichtern Bezug genommen auf die Richtung der Abströmung aus den Laufschaufeln heraus. Bei einem Axialverdichter erfolgt die Abströmung also im Wesentlichen axial. Der Geschwindigkeitsvektor der Abströmung im Bereich des Laufrades verläuft dabei parallel zur Welle bzw. Achse des Abgasturboladers. Die Abströmung kann hingegen radial erfolgen.
  • Grundsätzlich kann aber auch ein Radialverdichter eingesetzt werden, was im Hinblick auf die erfindungsgemäße Anordnung des Laders Vorteile bietet, da die Anzahl der Krümmungen der Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters bei Verwendung eines Radialverdichters reduziert werden kann.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Rückführleitung zur Rückführung von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine aus der Gesamtabgasleitung abzweigt und stromabwärts des Verdichters in die Ansaugleitung einmündet. Bei dieser sogenannten Hochdruck-AGR wird der Gesamtabgasleitung stromaufwärts der Turbine Abgas entnommen, so dass das rückzuführende Abgas weder die Turbine auf der Auslaßseite noch den Verdichter auf der Einlaßseite durchströmt und daher den Verdichter auch nicht mit Abgasbestandteilen kontaminieren kann.
  • Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Rückführleitung zur Rückführung von Abgas vorgesehen ist, die stromabwärts der Turbine aus der Gesamtabgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in die Ansaugleitung einmündet.
  • Bei dieser sogenannten Niederdruck-AGR wird der Gesamtabgasleitung stromabwärts der Turbine Abgas entnommen, so dass das rückzuführende Abgas die Turbine auf der Auslaßseite durchströmt und zur Aufladung der Brennkraftmaschine beiträgt. Das rückzuführende Abgas wird stromaufwärts des Verdichters in die Ansaugleitung geleitet und durchströmt anschließend den Verdichter, was insbesondere bei hohen Rückführraten bzw. großen rückgeführten Abgasmengen vorteilhaft ist, um das rückgeführte Abgas mit der angesaugten Frischluft ausreichend zu durchmischen d. h. die den Zylindern zugeführte Verbrennungsluft zu homogenisieren.
  • Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann eine Hochdruck-AGR und gleichzeitig eine Niederdruck-AGR aufweisen.
  • Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung zur Abgasrückführung ein Kühler vorgesehen ist. Dieser Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase, wodurch große Abgasmengen zurückgeführt werden können. Die Temperatur der Frischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit dem rückgeführten Abgasen in der Ansaugleitung einstellt, wird gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums beiträgt.
  • Zur Realisierung hoher Rückführraten kann eine Kühlung des rückzuführenden Abgases d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung zwingend erforderlich sein. Die Dichte des rückgeführten Abgases nimmt infolge der Kühlung zu.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Drei-Zylinder-Motors.
  • Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über einen Zylinderkopf 3 mit drei entlang der Zylinderkopflängsachse 4 angeordneten Zylindern 3a, von denen jeder eine Auslaßöffnung 13 aufweist, an die sich eine Abgasleitung 6 zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder 3a anschließt. Die Abgasleitungen 6 der drei Zylinder 3a führen auf der Auslaßseite 11 unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers 5 innerhalb des Zylinderkopfes 3 zu einer Gesamtabgasleitung 7 zusammen.
  • Zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Frischluft bzw. Frischgemisch ist auf der Einlaßseite 10 eine Ansaugleitung 8 vorgesehen, die in ein Plenum 9 mündet, von wo aus drei Ansaugleitungen 8a die Zylinder 3a versorgen.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine in der Gesamtabgasleitung 7 angeordnete Turbine 2a und einen in der Ansaugleitung 8 angeordneten Verdichter 2b umfaßt, wobei weder stromabwärts des Verdichters 2b in der Ansaugleitung 8 noch stromaufwärts der Turbine 2a in der Gesamtabgasleitung 7 ein weiteres Aggregat angeordnet ist.
  • Der Abgasturbolader 2 ist seitlich an einer der beiden Stirnseiten 12 des Zylinderkopfes 3 angeordnet und zwar in der Art, dass die Laderwelle 2c quer – vorliegend senkrecht – zur Zylinderkopflängsachse 4 verläuft, wobei – ihrer jeweiligen Funktion entsprechend – die Turbine 2a auf der Auslaßseite 11 und der Verdichter 2b auf der Einlaßseite 10 angeordnet sind.
  • Die Gesamtabgasleitung 7 verläuft überwiegend senkrecht zur Laderwelle 2c und weist stromaufwärts der Turbine 2a nur eine Krümmung auf, so dass die Abgasströmung nur eine Richtungsänderung erfährt. Dies gewährleistet eine möglichst verlustarme Zuführung des Abgases zur Turbine 2a. Die Mittelachse des Eintrittsbereichs der Turbine 2a zur Zuführung des Abgases fluchtet mit der Gesamtabgasleitung 7.
  • 1
    Aufgeladene Brennkraftmaschine
    2
    Abgasturbolader
    2a
    Turbine
    2b
    Verdichter
    2c
    Laderwelle
    3
    Zylinderkopf
    3a
    Zylinder
    4
    Zylinderkopflängsachse
    5
    Abgaskrümmer
    6
    Abgasleitung
    7
    Gesamtabgasleitung
    8
    Ansaugleitung
    8a
    Ansaugleitung
    9
    Plenum
    10
    Einlaßseite
    11
    Auslaßseite
    12
    Stirnseite des Zylinderkopfes
    13
    Auslaßöffnung

Claims (11)

  1. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einer Ansaugleitung (8) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Frischluft bzw. Frischgemisch auf einer Einlaßseite (10), – einem Zylinderkopf (3) mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse (4) angeordneten Zylindern (3a), von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung (13) aufweist, an die sich eine Abgasleitung (6) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (3a) anschließt, wobei die Abgasleitungen (6) von mindestens zwei Zylindern (3a) auf einer Auslaßseite (11) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (5) innerhalb des Zylinderkopfes (3) zu einer Gesamtabgasleitung (7) zusammenführen, und – mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine in der Gesamtabgasleitung (7) angeordnete Turbine (2a) und einen in der mindestens einen Ansaugleitung (8) angeordneten Verdichter (2b) umfaßt, wobei die Turbine (2a) ein auf einer Laderwelle (2c) vorgesehenes Turbinenlaufrad und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter (2b) ein auf der Laderwelle (2c) angeordnetes Verdichterlaufrad und einen Austrittsbereich zum Abführen der komprimierten Verbrennungsluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Abgasturbolader (2) in der Art angeordnet ist, dass die Laderwelle (2c) quer zu der Zylinderkopflängsachse (4) verläuft, wobei die Turbine (2a) auf der Auslaßseite (11) und der Verdichter (2b) auf der Einlaßseite (10) angeordnet sind.
  2. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laderwelle (2c) senkrecht zu der Zylinderkopflängsachse (4) verläuft.
  3. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (2) seitlich an einer Stirnseite (12) des Zylinderkopfes (3) angeordnet ist.
  4. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ölversorgung des Abgasturboladers (2) via Zylinderkopf (3) vorgesehen ist.
  5. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf (3) integrierten Kühlmittelmantel, dadurch gekennzeichnet, dass – die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine (2a) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei der im Zylinderkopf (3) integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der Turbine (2a) verbunden ist.
  6. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Turbine (2a) kein weiteres Aggregat angeordnet ist.
  7. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (2b) kein weiteres Aggregat angeordnet ist.
  8. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (2a) eine Radialturbine ist.
  9. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2b) ein Axialverdichter ist.
  10. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung zur Rückführung von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (2a) aus der Gesamtabgasleitung (7) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (2b) in die Ansaugleitung (8) einmündet.
  11. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung zur Rückführung von Abgas vorgesehen ist, die stromabwärts der Turbine (2a) aus der Gesamtabgasleitung (7) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (2b) in die Ansaugleitung (8) einmündet.
DE102009000214A 2009-01-14 2009-01-14 Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung Ceased DE102009000214A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009000214A DE102009000214A1 (de) 2009-01-14 2009-01-14 Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
CN201010003171.1A CN101782015B (zh) 2009-01-14 2010-01-14 具排气涡轮增压的内燃发动机
US12/687,226 US8667795B2 (en) 2009-01-14 2010-01-14 Internal combustion engine with exhaust-gas turbocharging

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009000214A DE102009000214A1 (de) 2009-01-14 2009-01-14 Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009000214A1 true DE102009000214A1 (de) 2010-09-02

Family

ID=42318023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009000214A Ceased DE102009000214A1 (de) 2009-01-14 2009-01-14 Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8667795B2 (de)
CN (1) CN101782015B (de)
DE (1) DE102009000214A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102400810A (zh) * 2010-09-07 2012-04-04 福特环球技术公司 具有涡轮机的气缸盖
DE102011114305A1 (de) * 2011-09-23 2013-03-28 Audi Ag Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
DE112011102910T5 (de) 2010-10-11 2013-06-20 Borgwarner Inc. Abgasturbolader
DE102010037969B4 (de) 2010-10-05 2023-01-12 Ford Global Technologies, Llc. Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine und Verfahren zum Kühlen der Turbine

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007036995A1 (de) * 2007-08-06 2009-02-19 Continental Automotive Gmbh Ausführung und Schnittstellen eines wassergekühlten Turbinengehäuse für einen Abgasturbolader
US8621865B2 (en) * 2010-05-04 2014-01-07 Ford Global Technologies, Llc Internal combustion engine with liquid-cooled turbine
US10316741B2 (en) * 2010-10-14 2019-06-11 Ford Global Technologies, Llc Turbocharged combustion system
EP2655829B1 (de) * 2010-12-22 2015-04-01 Honeywell International Inc. Zylinderkopf und turboladeranordnung
DE102011002759A1 (de) * 2011-01-17 2012-07-19 Ford Global Technologies, Llc Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
FI124226B (fi) * 2011-08-30 2014-05-15 Wärtsilä Finland Oy Pakokaasumoduuli ja polttomoottori
US9587588B2 (en) 2013-07-03 2017-03-07 Ford Global Technologies, Llc Direct inlet axial automotive turbine
US9885252B2 (en) 2014-11-17 2018-02-06 Ford Global Technologies, Llc Split turbocharger bearing assembly
DE102017205457A1 (de) * 2017-03-30 2018-10-04 Continental Automotive Gmbh Turbolader für eine Brennkraftmaschine sowie Turbinengehäuse
US11255299B2 (en) * 2019-05-31 2022-02-22 Ford Global Technologies, Llc Systems and methods for an exhaust gas recirculation valve cartridge in an integrated exhaust manifold cylinder head

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE407141C (de) * 1923-11-06 1924-12-13 Max Vollmar Mehrzylindrige Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbinen-Spuelgeblaese
CH210262A (de) * 1939-06-07 1940-06-30 Sulzer Ag Zweireihen-Brennkraftmaschine mit Aufladung.
DE975375C (de) * 1941-07-30 1961-11-16 Margarete Leist Abgasturbinenanlage fuer Brennkraftmaschinen
DE1576233B2 (de) * 1967-04-05 1971-07-22 Gebruder Sulzer AG, Winterthur (Schweiz) Zweitakt Kolben Brennkraftmaschine
DE2252705A1 (de) * 1972-10-27 1974-05-02 Daimler Benz Ag Anbau eines abgasturboladers an eine brennkraftmaschine
DE3921662C1 (de) * 1989-06-30 1991-03-14 Ludwig Ing.(Grad.) Elsbett
JP2002303145A (ja) * 2001-04-05 2002-10-18 Toyota Motor Corp ターボチャージャ付き内燃機関

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6213088B1 (en) * 1997-05-26 2001-04-10 Audi Ag Method and device for operating an internal combustion engine
GB9908845D0 (en) * 1999-04-19 1999-06-16 Seneca Tech Ltd Inverted engine configuration
JP2006249945A (ja) * 2005-03-08 2006-09-21 Toyota Motor Corp ターボチャージャ付き内燃機関
JP4329774B2 (ja) * 2006-03-15 2009-09-09 トヨタ自動車株式会社 シリンダヘッドの製造方法およびシリンダヘッド
US20090178407A1 (en) * 2006-07-11 2009-07-16 Borgwarner Inc. Enhanced engine air breathing system with after treatment device before the turbocharger
JP4748081B2 (ja) * 2007-02-23 2011-08-17 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の排気装置
US7806110B1 (en) * 2007-09-11 2010-10-05 Brunswick Corporation Turbocharger configuration for an outboard motor
US7784442B2 (en) * 2007-11-19 2010-08-31 Gm Global Technology Operations, Inc. Turbocharged engine cylinder head internal cooling

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE407141C (de) * 1923-11-06 1924-12-13 Max Vollmar Mehrzylindrige Zweitakt-Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbinen-Spuelgeblaese
CH210262A (de) * 1939-06-07 1940-06-30 Sulzer Ag Zweireihen-Brennkraftmaschine mit Aufladung.
DE975375C (de) * 1941-07-30 1961-11-16 Margarete Leist Abgasturbinenanlage fuer Brennkraftmaschinen
DE1576233B2 (de) * 1967-04-05 1971-07-22 Gebruder Sulzer AG, Winterthur (Schweiz) Zweitakt Kolben Brennkraftmaschine
DE2252705A1 (de) * 1972-10-27 1974-05-02 Daimler Benz Ag Anbau eines abgasturboladers an eine brennkraftmaschine
DE3921662C1 (de) * 1989-06-30 1991-03-14 Ludwig Ing.(Grad.) Elsbett
JP2002303145A (ja) * 2001-04-05 2002-10-18 Toyota Motor Corp ターボチャージャ付き内燃機関

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 2002303145 A (Abstract) *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102400810A (zh) * 2010-09-07 2012-04-04 福特环球技术公司 具有涡轮机的气缸盖
DE102010037969B4 (de) 2010-10-05 2023-01-12 Ford Global Technologies, Llc. Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine und Verfahren zum Kühlen der Turbine
DE112011102910T5 (de) 2010-10-11 2013-06-20 Borgwarner Inc. Abgasturbolader
US9133730B2 (en) 2010-10-11 2015-09-15 Borgwarner Inc. Exhaust turbocharger
DE102011114305A1 (de) * 2011-09-23 2013-03-28 Audi Ag Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
US9228544B2 (en) 2011-09-23 2016-01-05 Audi Ag Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine

Also Published As

Publication number Publication date
US8667795B2 (en) 2014-03-11
CN101782015A (zh) 2010-07-21
CN101782015B (zh) 2014-07-30
US20100175374A1 (en) 2010-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009000214A1 (de) Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung
EP2522843B1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit separaten Abgaskrümmern und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2503126B1 (de) Mit Waste-Gate-Turbinen ausgestattete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2503125B1 (de) Mit zwei Abgasturboladern ausgestattete Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102014216820B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
DE102007050259A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit integriertem Abgaskrümmer und Flüssigkeitskühlung
DE102013206690A1 (de) Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler und Abgasrückführung und Verfahren zum Herstellen einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102013215574A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102014208703A1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Turbinen und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
EP2058484A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine
DE102014200573A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE202015101924U1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Turbinen und schaltbaren Auslassöffnungen
DE102009001321A1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Verdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102017200184A1 (de) Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens zwei Zylinder
DE202015103551U1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Zusatzverdichter
DE202014100168U1 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader
DE102015205676B4 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Zusatzverdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102016200891B4 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Verdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102014212967B4 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102013216608B4 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine umfassend einen Verdichter mit zwei Laufrädern
DE102016215862A1 (de) Brennkraftmaschine mit Verdichter, Abgasrückführung und einer mit dem Verdichter verbundenen Ventileinheit
DE102017217759B3 (de) Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und elektrisch antreibbarem Verdichter
DE102016215861B4 (de) Brennkraftmaschine mit Verdichter, Abgasrückführung und einer mit dem Verdichter verbundenen Ventileinheit
DE102015211229A1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Zusatzverdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
DE102015211228A1 (de) Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Zusatzverdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final

Effective date: 20120726