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Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, die
- – mit einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und mindestens einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet ist, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung mit der mindestens einen Turbine zur Versorgung der flüssigkeitsgekühlten Turbine mit Kühlmittel verbunden ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume miteinander verbunden werden bzw. sind.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der 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. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes 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.
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Die Auslaßkanäle, d. h. die Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer oder gruppenweise zu mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann vorliegend mindestens einer Turbine, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, zugeführt. Stromabwärts der Turbine können ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme vorgesehen sein.
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Grundsätzlich ist man 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 der Turbine zu gewährleisten. Zudem soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
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Um diese Ziele zu erreichen, werden gemäß einem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt. Einen derartigen Zylinderkopf weist auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auf.
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Die Länge der Abgasleitungen wird durch die 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 und gegebenenfalls stromabwärts der Turbine vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme schneller eine erforderliche Betriebstemperatur erreichen.
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Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinders gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Ein derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
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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.
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Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb Zylinderköpfe der zuvor genannten Art mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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Erfindungsgemäß wird nicht nur der mindestens eine Zylinderkopf, sondern auch die mindestens eine Turbine flüssigkeitsgekühlt. Eine flüssigkeitsgekühlte Turbine hat gegenüber einer ungekühlten Turbine bzw. einer mittels Luftkühlung gekühlten Turbine wesentliche Vorteile.
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Die Herstellungskosten einer ungekühlten Turbine sind vergleichsweise hoch, da der nach dem Stand der Technik für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff kostenintensiv ist und auch die Kosten für die Bearbeitung dieser Werkstoffe hoch sind.
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Aufgrund der hohen Kühlleistung einer Flüssigkeitskühlung kann bei der Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Turbine auf die Verwendung thermisch hochbelastbarer Werkstoffe vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden. Hitzebleche, die nach dem Stand der Technik den Abgaskrümmer und/oder das Turbinengehäuse zum Schutz benachbarter Bauteile vor hohen Temperaturen abschirmen, werden entbehrlich.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen, die mit einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf ausgestattet sind und zusätzlich über eine flüssigkeitsgekühlte Turbine verfügen, wird die Turbine nach dem Stand der Technik via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt. Die
US 3,948,052 beschreibt eine derartige Brennkraftmaschine.
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Die Versorgung der Turbine mit Kühlmittel via Zylinderkopf hat mehrere Nachteile, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll.
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Der Kühlmittelmantel eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfes ist – wie bereits oben beschrieben – sehr komplex, insbesondere, wenn der Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet ist. Die durch einen derartigen Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanäle weisen zahlreiche Krümmungen und vereinzelt nur kleine Strömungsquerschnitte auf, weshalb ein – infolge der hohen Reibungsverluste bedingtes – großes Druckgefälle über den Kühlmittelmantel hinweg zu beobachten ist. Schon aus diesem Grund muß die zur Förderung des Kühlmittels vorgesehene Pumpe eine entsprechende Leistung aufweisen, insbesondere auch, um die für eine ausreichende Konvektion, d. h. für einen ausreichenden Wärmeübergang erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten generieren zu können.
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Wird nun dieses ohnehin komplexe Kühlmittelkanalsystem zusätzlich dadurch erweitert, dass der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der flüssigkeitsgekühlten Turbine – wie in der
US 3,948,052 beschrieben – verbunden wird, um die flüssigkeitsgekühlte Turbine via Zylinderkopf mit Kühlmittel zu versorgen, steigt die Leistungsanforderung an die Pumpe weiter.
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Das Bauteilvolumen der Pumpe nimmt aber mit der Leistungsfähigkeit der Pumpe zu, was einem dichten Packaging im Motorraum entgegensteht. Die Kosten der Pumpe steigen ebenfalls mit der Pumpenleistung.
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Ein weiterer Nachteil der in der
US 3,948,052 beschriebenen Kühlmittelversorgung der Turbine ist darin zu sehen, dass die Turbine mit Kühlmittel versorgt wird, welches bereits im Zylinderkopf erwärmt wurde, was den Wärmeübergang in der Turbine verringert, und dass das im Turbinengehäuse weiter erwärmte Kühlmittel wieder dem Zylinderkopf zugeführt wird, was einer effizienten Kühlung des thermisch hoch belasteten Zylinderkopfes und gegebenenfalls einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Kopf entgegen steht. Die Kühlleistung des Zylinderkopfes sollte aber so hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der
EP 1 722 090 A2 beschrieben ist und die unter energetischen Aspekten – insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine – und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen ist, verzichtet werden kann.
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Zudem muß berücksichtigt werden, dass die Auslegung eines Kühlsystems der vorstehend genannten und aus dem Stand der Technik bekannten Art aufwendige und damit kostenintensive Simulationsrechnungen im Rahmen der konstruktiven Auslegung der Brennkraftmaschine erfordert.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, die insbesondere hinsichtlich der Kühlung der Turbine verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, die
- – mit einer Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und mindestens einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet ist, wobei die Pumpe via Versorgungsleitung mit der mindestens einen Turbine zur Versorgung der flüssigkeitsgekühlten Turbine mit Kühlmittel verbunden ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Versorgungsleitung stromaufwärts der mindestens einen Turbine nicht durch den Zylinderkopf hindurchführt.
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Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel zur Versorgung der Turbinenkühlung nicht dem Zylinderkopf entnommen. Insofern entfällt die aus dem Stand der Technik bekannte Problematik, die durch die Entnahme des Kühlmittels aus dem Zylinderkopf resultiert, was insbesondere infolge des komplex strukturierten Kühlmittelmantels im Zylinderkopf und des damit verbundenen hohen Druckgefälles eine Pumpe hoher Förderleistung erforderlich macht.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die mindestens eine Turbine via Versorgungsleitung mit der Pumpe verbunden, ohne dass die Versorgungsleitung stromaufwärts der Turbine durch den Zylinderkopf hindurchführt.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die insbesondere hinsichtlich der Kühlung der Turbine verbessert ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen die Brennkraftmaschine
- – mindestens zwei Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und bei der
- – die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei diese Gesamtabgasleitung mit der mindestens einen Turbine verbunden ist.
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Weist der mindestens eine Zylinderkopf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 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 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die Brennkraftmaschine verfügt dann über zwei integrierte Abgaskrümmer.
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Bei drei, vier oder mehr Zylindern sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen
- – mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform der Brennkraftmaschine eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine, aber vorliegend nicht stromaufwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die im Rahmen des Ladungswechsels auftretenden Vorlastausstöße erhalten werden können, eignet sich die zweiflutige Turbine eines Abgasturboladers insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
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Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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Grundsätzlich gestattet es die Zusammenführung der Abgasleitungen zu zwei oder mehr Gesamtabgasleitungen, die Zylinder in geeigneter Weise zu konfigurieren, d. h. zu gruppieren bzw. voneinander zu trennen – beispielsweise in der Art, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen einer Zylindergruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen. Vorzugsweise sollen sich die in den Abgasleitungen ausbreitenden Druckwellen nicht gegenseitig abschwächen und die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse, d. h. hinsichtlich ihres Zündzeitpunktes aufweisen, damit sich die in einer Zylindergruppe zusammengefaßten Zylinder nicht gegenseitig beim Ladungswechsel nachteilig beeinflussen, d. h. behindern.
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Da sich die Leitungslängen der einzelnen Abgasleitungen durch eine Integration in den Zylinderkopf verkürzen, steigt grundsätzlich auch die Gefahr, dass sich die Zylinder gegenseitig beim Ladungswechsel behindern bzw. sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder nachteilig beeinflussen, was eigentlich vermieden werden sollte. Insofern ist die Gruppierung der Zylinder insbesondere im Zusammenhang mit der Integration der Abgasleitungen in den Zylinderkopf vorteilhaft, da auf diese Weise die Abgasströmungen zumindest bis hin zu den Gesamtabgasleitungen voneinander separiert werden können.
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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. Wie bereits eingangs 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 vorteilhaft ist.
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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.
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Die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen wird hierdurch verkürzt. 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.
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Bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei der die mindestens eine ein Turbinengehäuse und ein Lagergehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- – die Pumpe via Versorgungsleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel der mindestens einen Turbine verbunden ist.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Flüssigkeitskühlung der Turbine dadurch ausgebildet, dass die Turbine mit mindestens einem Kühlmittelmantel versehen wird.
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Der Kühlmittelmantel kann dadurch ausgebildet werden, dass die Turbine gekapselt wird, d. h. die Turbine als solche mit bzw. von einem zusätzlichen Hohlkörper umgeben, d. h. eingeschlossen wird. Dabei bildet sich zwischen der Innenwandung des Hohlkörpers und der originären Außenwandung der Turbine ein Hohlraum aus, der als Kühlmittelmantel fungiert.
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Vorteilhaft ist es aber insbesondere, wenn der mindestens eine Kühlmittelmantel in die Turbine integriert wird, d. h. die Flüssigkeitskühlung der Turbine dadurch ausgebildet wird, dass in das Turbinengehäuse und/oder Lagergehäuse ein Kühlmittelmantel integriert wird, wie bei den folgenden Ausführungsformen. Der wärmeaufnehmende Kühlmittelstrom ist dann wesentlich näher an der Wärmequelle, d. h. den heißen Abgasen bzw. dem infolge Reibung erwärmten Lager der Turbinenwelle, was eine effiziente Kühlung gewährleistet.
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Vorteilhaft sind aus den zuvor genannten Gründen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser Kühlmittelmantel via Versorgungsleitung mit der Pumpe verbunden ist.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, wobei dieser Kühlmittelmantel via Versorgungsleitung mit der Pumpe verbunden ist.
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Dem Turbinengehäuse kommt die Aufgabe zu, das Turbinenlaufrad abzudecken und einen Eintrittsbereich für das Abgas bereitzustellen bzw. auszubilden, während das Lagergehäuse in seiner ursprünglichen, d. h. primären Funktion der Aufnahme der Welle des Laufrades dient und damit ein mechanisch hochbelastetes Bauteil darstellt, welches die Integration von Kühlmittelkanälen nur in beschränktem Umfang zuläßt.
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Im Lagergehäuse sind gegebenenfalls Bohrungen zur Ölversorgung, insbesondere zur Schmierölversorgung der Wellenlagerung, vorgesehen. Das Lagergehäuse kann einen Teil des Turbinengehäuses bilden. Häufig dient das Lagergehäuse auch zur Befestigung an der Brennkraftmaschine bzw. an benachbarten Bauteilen im Motorraum.
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Der Kühlmittelmantel im Turbinengehäuse kann entlang der Abgasströmung ausgebildet, d. h. ausgerichtet werden, um eine effektive Kühlung zu realisieren. Ein im Lagergehäuse integrierter Kühlmittelmantel kann ebenfalls zur Kühlung des heißen durch das Turbinenlaufrad hindurchgeführten Abgasstroms dienen, wenn der Kühlmittelmantel abgasseitig, d. h. auf der dem Laufrad zugewandten Seite des Lagergehäuses vorgesehen und entsprechend ausgeformt wird.
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Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung jeweils mit mindestens einem Kühlmittelmantel ausgestattet sind, wobei diese Kühlmittelmäntel via Versorgungsleitung mit der Pumpe verbunden sind.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich die Versorgungsleitung stromaufwärts der mindestens einen Turbine in zwei Teilversorgungsleitungen gabelt, wobei eine erste Teilversorgungsleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses und eine zweite Teilversorgungsleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbunden ist.
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Gemäß dieser Ausführungsform werden das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse parallel mit Kühlmittel versorgt, d. h. beiden Gehäusen wird Kühlmittel derselben Temperatur zugeführt. Die Teilversorgungsleitungen werden stromabwärts der Turbine vorzugsweise wieder zusammengeführt, was auch Vorteile hinsichtlich eines dichten Packaging hat.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung stromaufwärts des Turbinengehäuses durch den mindestens einen Kühlmittelmantel des Lagergehäuses hindurchführt.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbunden ist, wobei die Versorgungsleitung stromaufwärts des Lagergehäuses durch den mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses hindurchführt.
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Bei den beiden zuvor genannten Ausführungsformen sind das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse im Kühlkreislauf in Reihe geschaltet, so dass das Kühlmittel die beiden Gehäuse nacheinander durchströmt, d. h. ein Gehäuse wird mit Kühlmittel, das bereits im anderen Gehäuse erwärmt wurde, versorgt. Die Reihenfolge der Gehäuse kann dabei gewählt werden. Da das Turbinengehäuse thermisch höher belastet ist, wird das Kühlmittel vorzugsweise zuerst dem Lagergehäuse und anschließend dem Turbinengehäuse zugeführt.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen mit einem zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Versorgungsleitung stromabwärts der mindestens einen Turbine in den im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel mündet. Diese Maßnahme unterstützt das Bestreben nach einem dichten Packaging im Motorraum und einer kompakten Bauweise der Antriebeinheit.
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Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die einzelnen Kühlmittelkreisläufe zu einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf zu verbinden, um das gesamte Kühlmittel mittels einer einzigen Pumpe fördern zu können und dem Kühlmittel mittels eines gemeinsamen Wärmetauschers die Wärme entziehen zu können. Da erfindungsgemäß auf eine Verbindung stromaufwärts der Turbine verzichtet wird, wird die Versorgungsleitung stromabwärts der mindestens einen Turbine mit dem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel verbunden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung stromaufwärts der mindestens einen Turbine durch einen mit dem Zylinderkopf verbundenen Zylinderblock hindurchführt. Der Zylinderblock wird dann wiederum von der Pumpe mit Kühlmittel versorgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
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Bei einem Abgasturbolader sind ein in der Ansaugleitung angeordneter Verdichter und eine in einer Abgasleitung vorgesehene Turbine auf derselben Welle angeordnet, wobei der Turbine heiße Abgase zugeführt werden, die sich unter Energieabgabe in der Turbine entspannen, wodurch die Welle 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 Verbrennungsluft, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine erzielt wird.
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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.
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Die thermische Belastung ist bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher, weshalb die erfindungsgemäße Auslegung der Flüssigkeitskühlung besonders vorteilhaft ist, da die hohen Abgastemperaturen eine effiziente und optimierte Kühlung erfordern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Turbine und der mindestens eine Zylinderkopf separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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Ein modularer Aufbau hat den Vorteil, dass die einzelnen Bauteile – nämlich die Turbine bzw. der Zylinderkopf – nach dem Baukastenprinzip auch mit anderen Bauteilen, insbesondere anderen Zylinderköpfen bzw. Turbinen, kombiniert werden können. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht in der Regel die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten pro Stück gesenkt werden können. Zudem werden hierdurch die Kosten gesenkt, falls die Turbine bzw. der Zylinderkopf infolge eines Defekts auszutauschen, d. h. zu ersetzen ist.
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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
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Vorteilhafterweise ist dabei das monolithische Bauteil einteilig als gegossenes Bauteil ausgebildet, vorzugsweise aus Aluminium, wodurch eine besonders hohe Gewichtsersparnis erzielt wird im Vergleich zur Verwendung von Stahl. Die Kosten für die Bearbeitung des Aluminiumgehäuses sind ebenfalls geringer.
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Nichtsdestotrotz kann das monolithische Bauteil auch aus Grauguß oder anderen Gußmaterialien hergestellt werden. Denn unabhängig vom verwendeten Material bleiben die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform erhalten, insbesondere die kompakte Bauweise, die grundsätzliche Gewichtsersparnis durch den Wegfall der nicht notwendigen Verbindungselemente, das verbesserte Ansprechverhalten der Turbine infolge der überaus motornahen Anordnung und dergleichen.
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Ist die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Welle des Abgasturboladers mitsamt dem vormontierten Turbinen- und Verdichterlaufrad als eigenständige vorgefertigte Baugruppe, beispielsweise in Form einer Kassette, in das im Zylinderkopf integrierte Turbinengehäuse bzw. Turboladergehäuse im Rahmen der Montage eingeschoben wird. Dies verkürzt die Montagezeit erheblich. Dabei nimmt das Gehäuse nicht nur Turbinenkomponenten, sondern auch Teile des Verdichters auf.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgriffstelle zur Entnahme von Abgas im Zylinderkopf an dem mindestens einen integrierten Abgaskrümmer vorgesehen ist, an der zumindest ein Teil des aus den Zylindern abgeführten Abgases dem Abgaskrümmer innerhalb des Zylinderkopfes entnehmbar ist, wobei sich stromabwärts der Abgriffstelle eine Bypaßleitung anschließt, mit der das entnommene Abgas an der mindestens einen Turbine vorbeiführbar ist.
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Die Bypaßleitung zur Umgehung der Turbine zweigt innerhalb des Zylinderkopfes von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer ab, was konstruktiv dadurch realisiert wird, dass eine Abgriffstelle zur Entnahme von Abgas im Zylinderkopf an dem integrierten Abgaskrümmer vorgesehen wird, an die sich die Bypaßleitung anschließt.
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Es kann auch eine Möglichkeit bzw. Leitung zur Abgasrückführung vorgesehen werden. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen eine Leitung zur Rückführung von Abgas im Zylinderkopf vorgesehen ist, die von dem im Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer abzweigt und mit der zumindest ein Teil des aus den Zylindern abgeführten Abgases dem Abgaskrümmer innerhalb des Zylinderkopfes entnehmbar ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 4 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 schematisch in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
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2 schematisch in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
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3 schematisch in einer Seitenansicht eine dritte Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
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4 schematisch in einer Seitenansicht eine vierte Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist flüssigkeitsgekühlt und umfaßt einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 2 mit mindestens einem integrierten Abgaskrümmer und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock 3, die zur Ausbildung der Brennräume miteinander verbunden sind.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 4 ausgestattet, der eine Turbine 4a und einen Verdichter 4b umfaßt, wobei das Turbinengehäuse 4a und das Lagergehäuse 4c flüssigkeitsgekühlt sind.
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Es ist eine Pumpe 5 zur Förderung des Kühlmittels vorgesehen, wobei die Pumpe 5 zwecks Versorgung der Turbine 4a mit Kühlmittel via Versorgungsleitung 6, 6a, 6b mit der Turbine 4a verbunden ist.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine 1 gabelt sich die Versorgungsleitung 6 stromaufwärts der Turbine 4a bzw. des Lagers 4c in zwei Teilversorgungsleitungen 6a, 6b, wobei eine erste Teilversorgungsleitung 6b mit dem Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses 4a und eine zweite Teilversorgungsleitung 6a mit dem Kühlmittelmantel des Lagergehäuses 4c verbunden ist, d. h. das Turbinengehäuse 4a und das Lagergehäuse 4c werden parallel mit Kühlmittel versorgt. Beiden Gehäusen 4a, 4c wird Kühlmittel derselben Temperatur zugeführt.
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Die Teilversorgungsleitungen 6a, 6b werden stromabwärts der Turbine 4a wieder zu einer gemeinsamen Versorgungsleitung 6 zusammengeführt. Das Kühlmittel tritt über das Kühlmittelaustrittsgehäuse 7 aus. Die Versorgungsleitung 6 führt stromaufwärts und stromabwärts der Turbine 4a nicht durch den Zylinderkopf 2.
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2 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
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Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform werden das Turbinengehäuse 4a und das Lagergehäuse 4c bei der in 2 dargestellten Brennkraftmaschine 1 nacheinander von Kühlmittel durchströmt, d. h. die beiden Gehäuse 4a, 4c sind im Kühlkreislauf in Reihe angeordnet, d. h. geschaltet.
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Die Versorgungsleitung 6 ist mit dem Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses 4a verbunden, wobei die Versorgungsleitung 6 stromaufwärts des Turbinengehäuses 4a durch den Kühlmittelmantel des Lagergehäuses 4c hindurchführt.
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3 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine dritte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
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Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform führt die Versorgungsleitung 6 stromaufwärts der Turbine 4a durch den Zylinderblock 3 hindurch, weshalb am Zylinderblock 3 ein Austritt für das Kühlmittel vorgesehen ist.
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Die Versorgungsleitung 6 mündet stromabwärts der Turbine 4a in den im Zylinderkopf 2 integrierten Kühlmittelmantel, weshalb am Zylinderkopf 2 ein Eintritt für das Kühlmittel vorgesehen ist. Das Kühlmittel verläßt den Zylinderkopf 2 über das Kühlmittelaustrittsgehäuse 7.
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4 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine vierte Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1.
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Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform wird bei der in 4 dargestellten Brennkraftmaschine 1 nur das Turbinengehäuse 4a, nicht aber das Lagergehäuse 4c von Kühlmittel durchströmt, d. h. gekühlt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Zylinderblock
- 4
- Abgasturbolader
- 4a
- Turbine, Turbinengehäuse
- 4b
- Verdichter, Verdichtergehäuse
- 4c
- Lager, Lagergehäuse
- 5
- Pumpe
- 6
- Versorgungsleitung
- 6a
- Teilversorgungsleitung
- 6b
- Teilversorgungsleitung
- 7
- Kühlmittelaustrittsgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3948052 [0020, 0023, 0025]
- EP 1722090 A2 [0025]
