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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit Radialturbine, bei dem
- – der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich der Radialturbine mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal übergeht, und
- – die Radialturbine, welche ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer Welle drehbar gelagertes Laufrad umfaßt, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei der mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Gehäuse spiralförmig um die Welle erstreckt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung des mindestens einen Zylinders, d. h. Brennraums, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Der Zylinderkopf dient 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, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die Einlaßkanäle, die zu den Einlaßöffnungen führen, und die Auslaßkanäle, d. h. die Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Auslaßöffnungen eines einzelnen Zylinders werden dabei in der Regel – innerhalb des Zylinderkopfes – zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, bevor diese Teilabgasleitungen – häufig zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung – zusammengeführt werden. 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 einer Radialturbine zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
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Die Herstellungskosten für die Turbine sind vergleichsweise hoch, da der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu dem für den Zylinderkopf vorzugsweise verwendeten Werkstoff; beispielweise Aluminium. Nicht nur die Werkstoffkosten an sich sind vergleichsweise hoch, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe.
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Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es im Hinblick auf die Kosten überaus vorteilhaft wäre, wenn eine Turbine bereitgestellt werden könnte, die aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gefertigt werden könnte.
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Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führt. Denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich, auch weil ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muß. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
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Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine nach dem Stand der Technik mit einer Kühlung, beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, ausgestattet, welche die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe ermöglicht.
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In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient.
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Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 257 A1 . Eine Flüssigkeitskühlung der Turbine wird dadurch ausgebildet, dass das eigentliche Turbinengehäuse mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in den Kühlmittel eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Gehäuse umfaßt dann den Kühlmittelmantel.
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Die
EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Die
DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.
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Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise eingesetzten Wassers, können dem Gehäuse mittels Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen entzogen werden. Die Wärme wird im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel abgegeben und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Flüssigkeitskühlung der Turbine mit einem separaten Wärmetauscher auszustatten oder aber – bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine – den Wärmetauscher der Motorkühlung, d. h. den Wärmetauscher einer anderen Flüssigkeitskühlung, hierfür zu nutzen. Letzteres erfordert lediglich entsprechende Verbindungen beider Kreisläufe.
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Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40 kW oder mehr betragen kann, wenn zur Herstellung des Gehäuses thermisch wenig belastbare Materialien wie Aluminium verwendet werden. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.
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Moderne Kraftfahrzeugantriebe werden zwar mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, um an den Wärmetauschern den für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderlichen Luftmassenstrom bereitzustellen. Aber ein weiterer, für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, nämlich die für den Wärmeübergang zur Verfügung gestellte Oberfläche, kann nicht beliebig groß ausgeführt bzw. vergrößert werden, da das Platzangebot im Front-End-Bereich des Fahrzeuges, wo die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.
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Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.
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Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird. Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, verlangen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird. Der Klimakondensator einer Klimaanlage ist ebenfalls ein Wärmetauscher, der während des Betriebs Wärme an die Umgebung abzugeben hat, also einen ausreichend hohen Luftstrom benötigt und daher im Front-End-Bereich anzuordnen ist.
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Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
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Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich anzuordnen, um die bei Verwendung thermisch wenig belastbarer Materialien anfallenden hohen Wärmemengen auch abführen zu können, ist nicht gegeben.
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Bei der konstruktiven Auslegung einer gekühlten Turbine ist daher ein Kompromiß zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf mit Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit Radialturbine, bei dem
- – der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich der Radialturbine mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal übergeht, und
- – die Radialturbine, welche ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer Welle drehbar gelagertes Laufrad umfaßt, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei der mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Gehäuse spiralförmig um die Welle erstreckt,
und der dadurch gekennzeichnet ist, dass - – der mindestens eine Kühlmittelkanal sich umfänglich um und beabstandet zu dem Strömungskanal über einen Winkel α erstreckt mit α ≤ 45°.
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Erfindungsgemäß wird ein Kühlmittelkanal im Gehäuse vorgesehen, der das Laufrad nicht – ähnlich einem Kühlmittelmantel – vollständig einhüllt, d. h. ummantelt, sondern den Strömungskanal in Umfangsrichtung lediglich in einem begrenzten Winkelbereich α überstreicht mit α ≤ 45°.
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Es wird vorliegend nicht angestrebt, eine möglichst großflächige Ummantelung des Laufrades zu realisieren und damit eine möglichst große Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Vielmehr wird die Kühlleistung bewußt begrenzt, indem der mindestens eine Kühlmittelkanal in erfindungsgemäßer Weise dimensioniert wird. Die Kühlleistung wird durch die limitiert bereitgestellte wärmeübertragende Fläche beschränkt.
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Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfallt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
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Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen Turbine ein entsprechender Werkstoff zu wählen, nämlich Grauguß bzw. Stahlguß oder dergleichen.
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Einerseits ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da auch erfindungsgemäß die Turbine mit einer Kühlung ausgestattet ist. Die Kühlung sorgt für eine Temperaturabsenkung und vermindert damit die thermische Belastung des Materials, weshalb hochtemperaturfeste Werkstoffe entbehrlich sind.
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Andererseits ist die Kühlleistung nicht derart groß dimensioniert, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden könnten.
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abzuführen sind.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich einen Zylinderkopf mit Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
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Die Turbine ist erfindungsgemäß als Radialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Insofern kann die Radialturbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung.
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Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.
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Der erfindungsgemäße Zylinderkopf mit Radialturbine eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Kühlung der Turbine des Abgasturboladers ist folglich vorteilhaft.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Radialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Die Aufladung ist 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. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
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Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, die in die Radialturbine mündet, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Weist der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
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Bei drei und mehr Zylindern sind daher auch Ausführungsformen 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 Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen, also gewissermaßen zwei Eintrittsbereiche 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. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslaßstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine 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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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der sich im Gehäuse spiralförmig um die Welle erstreckt Kühlmittelkanal mäandert, d. h. in Schlangenlinien verläuft.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Zylinderkopfes werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Radialturbine, zur Ausbildung einer Kühlung einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen gilt α ≤ 30°, vorteilhafterweise α ≤ 20° bzw. α ≤ 15°. Die Größe des gewählten Winkels hängt insbesondere von dem für das Gehäuse verwendeten Werkstoff ab.
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Je kleiner der Winkelbereich ist, in welchem der Kühlmittelkanal den Strömungskanal in Umfangsrichtung überstreicht, desto weniger voluminös muß das Gehäuse ausgeführt werden, d. h. je geringer ist der Materialeinsatz, der maßgeblich von der Größe des zu integrierenden Kühlmittelkanals mitbestimmt wird. Folglich nimmt auch das Gewicht des Gehäuses mit der Größe des Kühlmittelkanals ab bzw. zu.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen das Turbinengehäuse ein Gussteil ist. Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne läßt sich die komplexe Struktur des Gehäuses in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung des Gehäuses und die Montage erforderlich sind, um die Turbine auszubilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlaßöffnungen 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. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Einlaßöffnungen bzw. Auslaßöffnungen auszustatten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Zu berücksichtigen ist, dass grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine, insbesondere die Turbine eines Abgasturbolader, möglichst nahe am Auslaß der Zylinder 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 bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des weiteren 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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Man ist daher 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 dieses Ziel zu erreichen, werden gemäß einem Lösungsansatz nach dem Stand der Technik die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt.
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Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Zum einen wird 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.
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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 in Rede stehenden Art vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens 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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Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart 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. Denn im Rahmen einer Anfettung wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der zusätzliche Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Verbrennungsgase sinkt. Insbesondere gestattet es die notwendige Anfettung nicht immer, die Brennkraftmaschine in der Weise zu betrieben, wie es beispielsweise für ein vorgesehenes Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre. D. h. es ergeben sich Einschränkungen beim Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes, d. h. die Integration des mindestens einen Abgaskrümmers, führt zusammen mit der Ausstattung des Kopfes mit einer Flüssigkeitskühlung in vorteilhafter Weise beim Kaltstart der Brennkraftmaschine zu einer schnellen Erwärmung des Kühlmittels, damit zu einer schnelleren Aufwärmung der Brennkraftmaschine und, sofern eine kühlmittelbetriebene Heizung des Fahrgastraumes eines Fahrzeugs vorgesehen ist, zu einer schnelleren Aufheizung dieses Fahrgastraumes.
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Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
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Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen des Zylinderkopfes vorteilhaft sind, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden ist.
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Ist der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden, müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für den des Zylinderkopfes verwendet werden können, was zu Synergien und erheblichen Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die im Zylinderkopf und im Turbinengehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
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Darüber hinaus kann der Kühlmittelkanal der Turbine via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden, so dass keine weiteren Kühlmittelzuführ- und Abführöffnungen am Turbinengehäuse vorgesehen werden müssen und auch auf weitere Kühlmittelleitungen verzichtet werden kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen
- – der Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, und
- – der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist, wobei der obere Kühlmittelmantel und der untere Kühlmittelmantel vorzugsweise miteinander verbunden sind.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Kombination, bei denen der untere Kühlmittelmantel und/oder der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der: Turbine verbunden sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Kombination, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
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Der Zylinderkopf verfügt vorliegend über mindestens eine Verbindung, die in einer Außenwandung des Zylinderkopfes angeordnet ist, d. h. außerhalb des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers liegt.
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Bei der Verbindung handelt es sich um einen Durchbruch bzw. Durchflußkanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und/oder umgekehrt.
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Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluß genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.
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Die Kühlung kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
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Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile, falls der untere Kühlmittelmantel und der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkanal der Turbine bzw. über den Kühlmittelmantel der Turbine miteinander verbunden sind. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal der Turbine.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die mindestens eine Verbindung vollständig in der Außenwandung des Zylinderkopfes integriert ist. Diese Ausführungsform grenzt sich beispielsweise gegenüber Bauformen des Zylinderkopfes ab, bei denen in der Außenwandung eine Öffnung vorgesehen ist, die dem Zuführen bzw. Abführen von Kühlmittel in den bzw. aus dem oberen und dem unteren Kühlmittelmantel dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser, vorzugsweise kleiner ist als der halbe Durchmesser, eines Zylinders, wobei sich der Abstand aus der Wegstrecke zwischen der Außenwand der Gesamtabgasleitung und der Außenwand der Verbindung ergibt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen mindestens zwei Verbindungen vorgesehen sind, die auf gegenüberliegenden Seiten der Gesamtabgasleitung angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine und der 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 auch Ausführungsformen, 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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Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren und daher kostenintensiven Verbindung zwischen Zylinderkopf und Turbine entfällt prinzipbedingt durch die einteilige Ausbildung. Infolgedessen besteht auch nicht mehr die Gefahr, dass Abgas ungewollt infolge einer Leckage in die Umgebung austritt. In Bezug auf die Kühlmittelkreisläufe bzw. die Verbindung der Kühlmittelmäntel und der Leckage von Kühlmittel gilt Ähnliches in analoger Weise.
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Die eingesetzte Radialturbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
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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 stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluß genommen werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 die Turbine einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades,
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2a den in 1 gekennzeichneten Schnitt A-A, und
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2b den in 1 gekennzeichneten Schnitt B-B.
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1 zeigt die Turbine 1 in einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Welle 7 des Turbinenlaufrades 6.
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Die Turbine 1 ist eine Radialturbine 2, welche ein in einem Turbinengehäuse 3 angeordnetes und auf einer Welle 7 drehbar gelagertes Laufrad 6 umfaßt. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist der Eintrittsbereich 4, der stromabwärts in einen Strömungskanal 5 übergeht, spiralförmig bzw. das Gehäuse 3 zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet.
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Zur Ausbildung einer Kühlung weist das Gehäuse 3 einen integrierten Kühlmittelkanal 8 auf, der sich im Gehäuse 3 spiralförmig um die Welle 7 erstreckt und damit dem Strömungskanal 5 bis zum Eintritt des Abgases in das Laufrad 6 folgt. Benachbart zum Eintrittsbereich 4 des Turbinengehäuses 3 sind Kanalöffnungen 9 vorgesehen, um Kühlmittel in den Kühlmittelkanal 8 einleiten und wieder abführen zu können. Zur Befestigung der Turbine 1 am Zylinderkopf (nicht dargestellt) ist das Gehäuse 3 mit einem Flansch 10 ausgestattet.
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2a zeigt den in 1 gekennzeichneten Schnitt A-A. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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In dem in 2a dargestellten Schnitt ist zu erkennen, dass der Kühlmittelkanal 8 beabstandet zum Strömungskanal 5 verläuft und zwar auf der dem Laufrad 6 abgewandten Seite des Strömungskanals 5. Zur Integration bzw. Ausbildung des Kanals 5 verfügt das Gehäuse 3 auf seiner Außenseite über eine augenförmig ausgebildete Wulst.
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2b zeigt den in 1 gekennzeichneten Schnitt B-B. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Der Kühlmittelkanal 8 erstreckt sich bei der in 2b dargestellten Ausführungsform umfänglich über einen Winkel α ≈ 30° um den Strömungskanal 5, gemessen von der Mittellinie 11 des Strömungskanals 5. Folglich legt sich der Kühlmittelkanal vorliegend nicht – ähnlich einem Kühlmittelmantel – möglichst großflächig um den Strömungskanal 5. Auf diese Weise wird die vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbine
- 2
- Radialturbine
- 3
- Turbinengehäuse
- 4
- Eintrittsbereich
- 5
- Strömungskanal
- 6
- Laufrad
- 7
- Welle
- 8
- Kühlmittelkanal
- 9
- Kanalöffnung
- 10
- Flansch
- 11
- Mittellinie des Strömungskanals
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008011257 A1 [0012]
- EP 1384857 A2 [0013]
- DE 102007017973 A1 [0014]
- EP 1722090 A2 [0067]
