DE102010037969A1 - Internal combustion engine for vehicle, has oil circuit which is coupled to coolant jacket of turbine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist.The invention relates to an internal combustion engine with at least one liquid-cooled turbine, in which the turbine housing having a turbine housing for forming a liquid cooling at least one coolant jacket integrated in the housing.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine der Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for cooling the at least one turbine of the internal combustion engine.
Brennkraftmaschinen werden häufig mit einer Turbine oder mehreren Turbinen ausgestattet. Die Gründe hierfür können unterschiedlich sein. In der Regel soll die Abgasenthalpie der heißen Abgase mittels Turbine im Rahmen einer Abgasturboaufladung zur einlaßseitigen Verdichtung der Ladeluft genutzt werden. Eine derartige Brennkraftmaschine offenbart beispielsweise die
Stromabwärts der mindestens einen Turbine werden die Abgase dann gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.Downstream of the at least one turbine, the exhaust gases are then optionally passed through one or more exhaust aftertreatment systems.
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 als solche, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe sind hoch.The manufacturing costs for the turbine are comparatively high, since the material used for the thermally highly stressed turbine housing - often nickel-containing - material is expensive, especially in comparison to the material preferably used for the cylinder head; for example aluminum. Not only the material costs as such, but also the costs for processing these materials used for the turbine housing are high.
Im Hinblick auf die Kosten wäre es daher überaus vorteilhaft, wenn die Turbine aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gefertigt werden könnte. Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine, welche grundsätzlich angestrebt wird, 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 thermisch hochbelastbaren Werkstoff fällt daher bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.In terms of cost, it would therefore be extremely advantageous if the turbine could be made of a less expensive material, such as aluminum. The use of aluminum would also be advantageous in terms of the weight of the turbine. In particular, when it is considered that a close-coupled arrangement of the turbine, which is basically the goal, leads to a relatively large-sized, voluminous housing, because the connection of turbine and cylinder head by means of flange and screws requires due to the limited space a large turbine inlet area, also because sufficient Space must be provided for the assembly tools. The voluminous housing brings a correspondingly high weight with it. The weight advantage of aluminum compared to a thermally highly resilient material therefore falls particularly clearly in a turbine arranged close to the engine due to the comparatively high use of material.
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.In order to use more cost-effective materials for the production of the turbine, the turbine according to the prior art with a cooling, for example, with a liquid cooling, equipped, which greatly reduces the thermal load of the turbine or the turbine housing by the hot exhaust gases and thus the Use of thermally less resilient materials allows.
In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit mindestens 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.In general, the turbine housing is provided to form the cooling with at least one coolant jacket. From the prior art both concepts are known in which the housing is a casting and the coolant jacket is formed as part of the casting process as an integral part of a monolithic housing, as well as concepts in which the housing is modular, wherein in the context of assembly a cavity is formed, which serves as a coolant jacket.
Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
Die
Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität des üblicherweise als Kühlmittel 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. Dem Kühlmittel wird die Wärme anschließend in einem Wärmetauscher wieder entzogen.Due to the high specific heat capacity of the water usually used as coolant can be removed from the housing by means of liquid cooling large amounts of heat. The heat is released inside the housing to the coolant and removed with the coolant. The coolant is then removed from the heat in a heat exchanger again.
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.In principle, it is possible to equip the liquid cooling of the turbine with a separate heat exchanger or - in a liquid-cooled internal combustion engine - the Heat exchanger of the engine cooling, ie the heat exchanger of another liquid cooling to use for this purpose. The latter requires only appropriate connections of both circuits.
Die Ausstattung der Turbinen mit einer Flüssigkeitskühlung ermöglicht es, die Gehäuse aus weniger wärmebeständigen Werkstoffen zu fertigen, beispielweise niedrig legierten Stählen, Grauguß, Aluminium. Andererseits kann dabei die im Turbinengehäuse vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge 40 kW und mehr betragen. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge wieder in einem Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.The equipment of the turbines with a liquid cooling makes it possible to manufacture the housings from less heat-resistant materials, for example low-alloy steels, gray cast iron, aluminum. On the other hand, the amount of heat absorbed by the coolant in the turbine housing may be 40 kW or more. The coolant to withdraw such a large amount of heat again in a heat exchanger and dissipate by means of air flow to the environment turns out to be problematic.
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, in dem die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.Although modern motor vehicle drives are equipped with powerful fan motors in order to provide the air mass flow required for a sufficiently high heat transfer at the heat exchangers. But another, relevant for the heat transfer parameters, namely the surface provided for the heat transfer, can not be made arbitrarily large or enlarged, since the space in the front-end area of the vehicle, in which the various heat exchangers in the rule be arranged is limited.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.Modern motor vehicles often have - in addition to the heat exchanger of the engine cooling - on other heat exchangers, in particular cooling devices.
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.On the intake side of a supercharged internal combustion engine often a charge air cooler is arranged to contribute to a better filling of the cylinder. In order to maintain a maximum permissible oil temperature, the heat release via the oil sump due to heat conduction and natural convection is often no longer sufficient, so that an oil cooler is provided in individual cases. In addition, modern internal combustion engines are increasingly being equipped with exhaust gas recirculation. The exhaust gas recirculation is a measure to counteract the formation of nitrogen oxides. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which is a cooling of the recirculated exhaust gas, d. H. require a compression of the exhaust gas by cooling. Other coolers can be provided, for example for cooling the transmission oil in automatic transmissions and / or for cooling hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used in the context of hydraulically actuated adjusting devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger, which has to give off heat to the environment during operation, so requires a sufficiently high air flow and therefore is to be arranged in the front-end area.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.Due to the very limited space in the front-end area and the large number of heat exchangers, the individual heat exchangers can not be dimensioned according to requirements.
Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich vorzusehen, um die bei Verwendung thermisch wenig belastbarer Materialien großen Wärmemengen auch abführen zu können, ist in der Praxis nicht gegeben.The ability to provide a sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of the turbine in the front-end area in order to dissipate when using thermally less resilient materials large amounts of heat, is not given in practice.
Bei der konstruktiven Auslegung einer flüssigkeitsgekühlten Turbine ist daher ein Kompromiß zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich, d. h. einzugehen.In the structural design of a liquid-cooled turbine, therefore, a compromise between cooling capacity and material is required, d. H. enter into.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.In view of the above, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine with liquid cooled turbine according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.Another object of the present invention is to provide a method for cooling the at least one turbine of such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist und die dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört, so dass der mindestens eine Kühlmittelmantel mit im Ölkreislauf zirkulierenden Öl beaufschlagt ist.The first object is achieved by an internal combustion engine having at least one liquid-cooled turbine, in which the turbine housing having a turbine housing for forming a liquid cooling at least one coolant jacket integrated in the housing and which is characterized in that the at least one integrated in the housing coolant jacket belongs to an oil circuit, so that the at least one coolant jacket is acted upon by circulating oil in the oil circuit.
Erfindungsgemäß wird als Kühlmittel nicht Wasser, sondern Öl eingesetzt. Dies hat gleich mehrere Vorteile.According to the invention, the coolant used is not water but oil. This has several advantages.
Die Ausstattung der Turbine mit einer Flüssigkeitskühlung ermöglicht den Einsatz von thermisch weniger belastbaren Werkstoffen für die Fertigung des Gehäuses, beispielweise den Einsatz von niedrig legierten Stählen, Grauguß oder Aluminium.The equipment of the turbine with a liquid cooling allows the use of less thermally resistant materials for the manufacture of the housing, for example, the use of low-alloyed steels, gray cast iron or aluminum.
Insbesondere aber läßt sich der Wärmeeintrag in das Kühlmittel durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel begrenzen und im Vergleich zu dem Kühlmittel Wasser deutlich vermindern, so dass der aus dem Stand der Technik bekannte Konflikt, welcher sich aus der Verwendung von Wasser als Kühlmittel ergibt und darin besteht, sehr große Wärmemengen prozeßtechnisch bewältigen, d. h. dem als Kühlmittel dienenden Wasser wieder entziehen zu müssen, entfällt.In particular, the heat input into the coolant can be limited by the use of oil as a coolant and significantly reduce water compared to the coolant, so that the known from the prior art conflict, which results from the use of water as a coolant and therein exists, very big Manage heat quantities process technology, ie to have to withdraw the serving as coolant water again, is eliminated.
Dass sich die in das Kühlmittel eingebrachte Wärmemenge durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel vermindern läßt, ist unter anderem auf die stofflichen Eigenschaften von Öl zurück zu führen.The fact that the amount of heat introduced into the coolant can be reduced by the use of oil as a coolant is, among other things, attributable to the material properties of oil.
Mit der Nusselt-Zahl, einer dimensionslosen Kennzahl aus der Ähnlichkeitstheorie, kann die Wärmeübertragung an ein strömendes Fluid beschrieben werden, beispielsweise auch der Wärmeeintrag in das Kühlmittel bei Durchströmen des Turbinengehäuses. Die Nusselt-Zahl ist eine stoffabhängige und damit fluidspezifische Kennzahl. Sie ist proportional zum Wärmeübergangskoeffizienten α bei Wärmeübertragung infolge Konvektion und damit ein Maß für die Qualität, d. h. die Größe des Wärmeeintrags.With the Nusselt number, a dimensionless characteristic number from the similarity theory, the heat transfer to a flowing fluid can be described, for example, the heat input into the coolant when flowing through the turbine housing. The Nusselt number is a substance-dependent and therefore fluid-specific indicator. It is proportional to the heat transfer coefficient α at heat transfer due to convection and thus a measure of the quality, d. H. the size of the heat input.
Die Nusselt-Zahl von Wasser beträgt ein Vielfaches der Nusselt-Zahl von Öl, weshalb der Wärmeeintrag infolge Konvektion bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel und ansonsten gleichen Randbedingungen deutlich höher ausfällt als wenn zur Kühlung Öl eingesetzt wird. Im Rahmen der Figurenbeschreibung werden die Unterschiede anhand eines konkreten Beispiels näher erläutert.The Nusselt number of water is a multiple of the Nusselt number of oil, which is why the heat input due to convection when using water as a coolant and otherwise the same boundary conditions significantly higher than when used for cooling oil. In the context of the description of the figures, the differences will be explained in greater detail on the basis of a concrete example.
Das Gehäuse der Turbine läßt sich aufgrund der vorgesehenen Flüssigkeitskühlung aus kostengünstigen Werkstoffen fertigen, ohne dass übermäßig große Wärmemengen abzuführen sind, da der Wärmeübergang im Gehäuse durch die erfindungsgemäße Verwendung von Öl gezielt herabgesetzt wird.The housing of the turbine can be made due to the proposed liquid cooling of cost-effective materials without excessively large amounts of heat are dissipate, since the heat transfer in the housing is selectively reduced by the use of oil according to the invention.
Einerseits ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da die Turbine auch erfindungsgemäß mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist. Andererseits ist die Kühlleistung, d. h. der Wärmeeintrag in das Kühlmittel, durch die Verwendung von Öl derart verringert, dass die abzuführenden Wärmemengen prozeßtechnisch kein Problem darstellen.On the one hand, the internal combustion engine according to the invention makes it possible to dispense with materials which are highly thermally resistant, in particular containing nickel, for producing the turbine housing, since the turbine is also equipped according to the invention with liquid cooling. On the other hand, the cooling capacity, i. H. the heat input into the coolant, reduced by the use of oil such that the amount of heat to be dissipated process technology is not a problem.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abzuführen sind.The internal combustion engine according to the invention makes the use of costly materials dispensable without dissipating excessively large amounts of heat in connection with the cooling of the turbine.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.Thus, the object underlying the invention is achieved, namely to provide an internal combustion engine with liquid-cooled turbine, which is optimized with respect to the turbine.
Die erfindungsgemäße Ölkühlung ist von der Ölversorgung, welche der Schmierung der Turbinenwelle bzw. der Wellenlager mit Öl dient, zu unterscheiden. Prinzipbedingt kühlt auch diese Ölversorgung Teile der Turbine bzw. des Turbinengehäuses. Die Ölversorgung der Turbinenwelle als solche verfügt aber über keinen Kühlmittelmantel, was die erfindungsgemäße Ölkühlung von der Ölversorgung deutlich unterscheidet.The oil cooling according to the invention is to be distinguished from the oil supply, which serves for the lubrication of the turbine shaft or the shaft bearing with oil. Due to the principle, this oil supply also cools parts of the turbine or the turbine housing. However, the oil supply of the turbine shaft as such has no coolant jacket, which clearly distinguishes the oil cooling of the invention from the oil supply.
Die in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge läßt sich durch die Verwendung von Öl deutlich reduzieren und zwar nicht nur aufgrund der in Zusammenhang mit der Nusselt-Zahl beschriebenen Effekte. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass Öl sich deutlich stärker erhitzen läßt als Wasser, das – Atmosphärendruck vorausgesetzt – bei 100°C verdampft. Der Wärmeübergang im Gehäuse läßt sich folglich auch weiter dadurch verringern, dass die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmittel, d. h. Öl, durch Aufheizung des Öls herabgesetzt wird. Öl läßt sich im Einzelfall auf 200°C und mehr erhitzen.The amount of heat introduced into the coolant can be significantly reduced by the use of oil and not only because of the effects described in connection with the Nusselt number. In addition, it should be taken into account that oil can be heated much more strongly than water, which, assuming atmospheric pressure, evaporates at 100.degree. The heat transfer in the housing can therefore be further reduced by the fact that the temperature difference between the housing and the coolant, d. H. Oil is reduced by heating the oil. Oil can be heated in individual cases to 200 ° C and more.
Die Turbine kann in Radialbauweise oder in Axialbauweise ausgeführt sein, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial oder axial. 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. Ist die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer, liegt eine Turbine in Axialbauweise vor.The turbine can be designed in radial or axial design, d. H. the flow of the blades takes place substantially radially or axially. In this case, essentially radial means that the velocity component in the radial direction is greater than the axial velocity component. The velocity vector of the flow intersects the shaft of the turbine at a right angle if the flow is exactly radial. If the velocity component in the axial direction is larger, there is a turbine in axial design.
Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist es vorteilhaft, den Eintrittsbereich der Turbine zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse auszubilden, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.In order to be able to flow radially onto the rotor blades, it is advantageous to design the inlet region of the turbine for supplying the exhaust gas as a spiral or worm casing running all around, so that the inflow of the exhaust gas to the turbine takes place essentially radially.
Die Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine bewegliche Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.The turbine can be equipped with a variable turbine geometry, which allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. In this case, movable guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the turbine. Unlike the vanes of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine.
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.If the turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary, but also completely immovable arranged in the inlet region, ie rigidly fixed. In contrast, a turbine with variable geometry used, the guide vanes are indeed arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about its axis, so that the flow of the blades can be influenced.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung des Ölkreislaufs eine Abführleitung zum Abführen von Öl aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel und eine Zuführleitung zur Versorgung des mindestens einen Kühlmittelmantels mit Öl vorgesehen sind.Embodiments of the internal combustion engine in which a discharge line for removing oil from the at least one coolant jacket and a supply line for supplying the at least one coolant jacket with oil are provided for forming the oil circuit are advantageous.
Vorteilhaft sind weiterhin Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Ölkreislauf eine Pumpe zur Förderung des Öls und ein Wärmetauscher vorgesehen sind. Die Pumpe gestattet die Steuerung, d. h. die Festlegung der Durchflußmenge durch das Gehäuse und damit eine weitere Einflußnahme auf die Kühlung des Gehäuses und den Wärmeeintrag in das als Kühlmittel dienende Öl.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which a pump for conveying the oil and a heat exchanger are provided in the oil circuit. The pump allows the control, d. H. the definition of the flow rate through the housing and thus a further influence on the cooling of the housing and the heat input into the serving as a coolant oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein mindestens einen Verbraucher mit Öl versorgendes Ölversorgungssystem vorgesehen ist, insbesondere zur Schmierung von sich bewegenden Bauteilen der Brennkraftmaschine. Das Öl dient im Rahmen einer Schmierung dazu, den Anteil der Festkörperreibung zu reduzieren und im günstigsten Fall darüber hinaus nicht nur eine Mischreibung, sondern eine Flüssigkeitsreibung zwischen relativ sich zueinander bewegenden Bauteilen zu realisieren. Dies dient in erster Linie der Haltbarkeit der Bauteile, aber auch der Reduzierung der Reibleistung.Embodiments of the internal combustion engine in which an oil supply system supplying oil to at least one consumer is provided, in particular for lubricating moving components of the internal combustion engine, are advantageous. The oil used in the context of lubrication to reduce the proportion of solid friction and in the best case beyond not only a mixed friction, but to realize a liquid friction between relatively moving parts. This is primarily the durability of the components, but also the reduction of friction.
Ein Verbraucher im vorstehend genannten Sinn ist die Kurbelwelle, deren Lager mit Schmieröl zu versorgen sind. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen, welche in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Kurbelwelle wird im Bereich der Kurbelwellenzapfen, die entlang der Kurbelwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Kurbelgehäuse, d. h. mit den Kurbelgehäusehälften ausgebildet werden. Zwischen der Kurbelwelle und den Lager können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.A consumer in the above sense is the crankshaft whose bearings are to be supplied with lubricating oil. For receiving and supporting the crankshaft at least two bearings are provided in the crankcase, which are usually made in two parts and each comprise a bearing saddle and connectable to the bearing saddle bearing cap. The crankshaft is mounted in the region of the crankshaft journals which are arranged at a distance from one another along the crankshaft axis and are generally designed as thickened shaft shoulders. This bearing cap and bearing saddles can be used as separate components or in one piece with the crankcase, d. H. be formed with the crankcase halves. Between the crankshaft and the bearings bearing shells can be arranged as intermediate elements.
Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden – gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente – eine Bohrung zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Kurbelwellenzapfen bei umlaufender Kurbelwelle – ähnlich einem Gleitlager – ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.When assembled, each bearing saddle is connected to the corresponding bearing cap. In each case a bearing saddle and a bearing cap form - if appropriate in cooperation with bearing shells as intermediate elements - a bore for receiving a crankshaft journal. The holes are usually with engine oil, d. H. Lubricating oil supplied, so that ideally forms between the inner surface of each bore and the associated crankshaft journal with rotating crankshaft - similar to a plain bearing - a viable lubricating film.
Zur Versorgung der Lager mit Öl ist entsprechend der in Rede stehenden Ausführungsform ein Ölversorgungssystem vorgesehen.To supply the bearings with oil an oil supply system is provided according to the embodiment in question.
Einen weiteren Verbraucher, der via Ölversorgung mit Öl zu versorgen ist, kann eine Nockenwelle bilden, welche in der Regel in einer zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Die bereits hinsichtlich der Kurbelwellenlagerung gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise. Auch die Nockenwellenaufnahme wird üblicherweise mit Schmieröl versorgt. Hierzu kann ein Versorgungskanal vorgesehen werden, der beispielsweise von der Kurbelwellenaufnahme bis hin zur stromabwärts gelegenen Nockenwellenaufnahme führt. Alternativ kann eine Versorgungsleitung vorgesehen werden, die von einer in der Ölversorgung vorgesehenen Pumpe direkt zu Nockenwellenaufnahme führt.Another consumer, which is to be supplied via oil supply with oil, can form a camshaft, which is usually stored in a two-piece so-called camshaft. The statements already made with regard to the crankshaft bearing apply analogously. The camshaft holder is usually supplied with lubricating oil. For this purpose, a supply channel can be provided which leads, for example, from the crankshaft receptacle to the downstream camshaft receptacle. Alternatively, a supply line can be provided, which leads from a provided in the oil supply pump directly to camshaft.
Die Kurbelwelle und die Nockenwelle bzw. die dazugehörigen Lager, d. h. Aufnahmen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Verbraucher bezeichnet, da diese zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl verbrauchen bzw. brauchen, d. h. mit Motoröl versorgt werden müssen.The crankshaft and the camshaft or the associated bearings, d. H. Shots are referred to in the context of the present invention as consumers, since they consume or need engine oil to fulfill and maintain their function, d. H. must be supplied with engine oil.
Weitere Verbraucher können beispielsweise die Lager einer Pleuelstange oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle sein. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist aber auch eine Spritzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düsen von unten, d. h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt und somit Öl braucht, d. h. mit Öl versorgt werden muß.Further consumers may be, for example, the bearings of a connecting rod or an optional balancing shaft. But consumers in the above sense is also a splash oil cooling, which the piston crown for the purpose of cooling by means of nozzles from below, d. H. crankcase side, wetted with engine oil and thus oil needs, d. H. must be supplied with oil.
Ein hydraulisch betätigbarer Nockenwellenversteller oder andere Ventiltriebsbauteile, beispielsweise zum hydraulischen Ventilspielausgleich, haben ebenfalls einen Bedarf an Motoröl und bedürfen einer Ölversorgung und sind damit Verbraucher im vorliegenden Sinn.A hydraulically actuated camshaft adjuster or other valve train components, for example, for hydraulic valve clearance compensation, also have a need for engine oil and require an oil supply and are thus consumers in the present sense.
Kein Verbraucher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein in der Versorgungsleitung angeordneter Ölfilter oder ein gegebenenfalls vorgesehener Ölkühler, sowie eine zur Ölförderung vorgesehene Pumpe. Zwar werden auch diese Komponenten des Ölkreislaufs der Ölversorgung mit Motoröl versorgt. Prinzipbedingt bringt aber ein Ölkreislauf die Verwendung dieser Komponenten mit sich, die ausschließlich Aufgaben, d. h. Funktionen haben, welche das Öl als solches betreffen, wohingegen ein Verbraucher erst den Ölkreislauf notwendig macht.No consumer in the sense of the present invention is an oil filter arranged in the supply line or an optionally provided oil cooler, as well as a pump provided for oil delivery. Although these components of the oil circuit of the oil supply are supplied with engine oil. Due to the principle, however, an oil circuit entails the use of these components, which only tasks, ie have functions that affect the oil as such, whereas a consumer first makes the oil cycle necessary.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the oil supply system is connected to the at least one coolant jacket integrated in the housing are advantageous.
Die Reibung in den via Ölversorgungssystem mit Öl versorgten Verbrauchern, beispielsweise den Lager der Kurbelwelle, die maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls abhängt, trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.The friction in the supplied via oil supply system consumers, for example, the bearing of the crankshaft, which largely depends on the viscosity and thus of the temperature of the oil provided, contributes to the fuel consumption of the internal combustion engine.
Grundsätzlich ist man bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, weshalb auch eine Reduzierung der Reibleistung angestrebt wird. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem auch zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.Basically, efforts are made to minimize fuel consumption, which is why a reduction in friction is sought. A reduced fuel consumption also contributes to a reduction in pollutant emissions.
Ist das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden, dient das Motoröl gleichzeitig als Kühlmittel für die Turbine. Das Öl erfährt beim Durchströmen des Gehäuses eine Temperaturerhöhung. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Turbine thermisch hoch belastet ist, insbesondere im Vergleich zum Zylinderkopf bzw. Kurbelgehäuse thermisch höher belastet ist, so dass die Erwärmung des Öls, d. h. der Anstieg der Öltemperatur beim Durchströmen des Turbinengehäuses deutlicher ausfällt als bei einem Durchströmen des Zylinderkopfes bzw. des Kurbelgehäuses.If the oil supply system is connected to the at least one coolant jacket integrated in the housing, the engine oil also serves as coolant for the turbine. The oil undergoes a temperature increase as it flows through the housing. It should be noted in this context that the turbine is thermally highly loaded, especially in comparison to the cylinder head or crankcase is thermally loaded higher, so that the heating of the oil, d. H. the increase in the oil temperature during flow through the turbine housing precipitates more pronounced than when flowing through the cylinder head or the crankcase.
Dadurch werden eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, sichergestellt. Die vergleichsweise schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.As a result, a rapid heating of the engine oil and a rapid heating of the internal combustion engine, in particular after a cold start, ensured. The comparatively rapid heating of the engine oil during the warm-up phase of the internal combustion engine ensures a correspondingly rapid decrease in viscosity and thus a reduction in the friction or friction power, in particular in the oil-supplied bearings.
Die in Rede stehende Ausführungsform hat weitere Vorteile. Dadurch, dass das Ölversorgungssystem der Brennkraftmaschine mit dem mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist, bildet die Ölversorgung den für die Kühlung des Gehäuses erforderlichen und vorgesehenen Ölkreislauf mit aus, so dass die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden müssen und sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für die Ölversorgung verwendet werden können, was zu Synergien und erheblichen Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So muß nur eine Pumpe zur Förderung des als Kühlmittel dienenden Öls und ein Behältnis zur Bevorratung des Öls vorgesehen werden. Die im Gehäuse und in der Brennkraftmaschine an das Öl abgegebene Wärme kann in einem gemeinsamen Wärmetauscher abgeführt werden, falls dies überhaupt erforderlich ist.The embodiment in question has other advantages. Due to the fact that the oil supply system of the internal combustion engine is connected to the at least one coolant jacket integrated in the turbine housing, the oil supply forms the oil circuit required and provided for the cooling of the housing, so that the other components and units required for forming a cooling circuit are basically only simpler And can be used both for the cooling circuit of the turbine as well as for the oil supply, resulting in synergies and significant cost savings, but also brings a weight saving. Thus, only a pump for conveying the serving as a coolant oil and a container for storing the oil must be provided. The heat emitted to the oil in the housing and in the internal combustion engine can be dissipated in a common heat exchanger, if this is necessary at all.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit
- – mindestens einem Zylinderkopf,
- – mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock, der mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, und
- – einer Pumpe zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.
- At least one cylinder head,
- - At least one connected to the at least one cylinder head and serving as the upper crankcase half cylinder block, which is connected to a serving as a lower crankcase oil pan, which serves for the collection and storage of engine oil, on the side facing away from the cylinder head, and
- - A pump for conveying the engine oil via supply line to the at least one consumer within the oil supply system.
Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, miteinander verbunden sind.Internal combustion engines have at least one cylinder block and at least one cylinder head, which is used to form the individual cylinders, d. H. Combustion chambers, are interconnected.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben und der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.The cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons and the cylinder tubes. The piston of each cylinder is axially movably guided in a cylinder tube and defines together with the cylinder tube and the cylinder head the combustion chamber of a cylinder. The piston crown forms a part of the combustion chamber inner wall and, together with the piston rings, seals the combustion chamber against the crankcase so that no combustion gases or combustion air enter the crankcase and no oil enters the combustion chamber.
Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.The piston serves to transfer the gas forces generated by the combustion to the crankshaft. For this purpose, the piston is articulated by means of a piston pin with a connecting rod, which in turn is movably mounted on the crankshaft.
Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird in der Regel zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes. Die Nockenwelle wird dabei häufig als obenliegende Nockenwelle im Zylinderkopf gelagert.The crankshaft mounted in the crankcase receives the connecting rod forces, which are composed of the gas forces due to the fuel combustion in the combustion chamber and the mass forces due to the non-uniform movement of the engine parts. In this case, the oscillating stroke movement of the piston is transformed into a rotating rotational movement of the crankshaft. The crankshaft transmits the torque to the drive train. A part of the energy transmitted to the crankshaft is usually used to drive auxiliary equipment such as the oil pump and the alternator or serves to drive the camshaft and thus the actuation of the valve train. The camshaft is often stored as an overhead camshaft in the cylinder head.
Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Dabei weist die obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme der Ölwanne, d. h. der unteren Kurbelgehäusehälfte, eine Flanschfläche auf. In der Regel wird zur Abdichtung der Ölwanne bzw. des Kurbelgehäuses gegenüber der Umgebung eine Dichtung in der bzw. an der Flanschfläche vorgesehen. Die Verbindung erfolgt häufig durch eine Verschraubung. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs, d. h. der Ölversorgung. Darüber hinaus dient die Ölwanne als Wärmetauscher zur Absenkung der Öltemperatur bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine. Das in der Ölwanne befindliche Öl wird dabei durch Wärmeleitung und Konvektion mittels an der Außenseite vorbeigeführter Luftströmung gekühlt.In general, and in the context of the present invention, the upper crankcase half is formed by the cylinder block. The crankcase is supplemented by the lower half of the crankcase, which can be mounted on the upper crankcase half and serves as an oil sump. In this case, the upper crankcase half for receiving the oil pan, d. H. the lower crankcase half, a flange on. As a rule, a seal is provided in or on the flange surface for sealing the oil sump or the crankcase relative to the environment. The connection is often done by a screw. The oil pan is used to collect and store the engine oil and is part of the oil circuit, d. H. the oil supply. In addition, the oil pan serves as a heat exchanger for lowering the oil temperature when heated to operating temperature internal combustion engine. The oil contained in the oil sump is cooled by heat conduction and convection by means of air flow past the outside.
Eine Pumpe dient zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.A pump serves to convey the engine oil via the supply line to the at least one consumer within the oil supply system.
Häufig versorgt die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lager der Kurbelwelle führen, mit Motoröl. Dabei führt die Versorgungsleitung entweder von der Pumpe durch den Zylinderblock zur Hauptölgalerie oder zuerst in den Zylinderkopf und anschließend via Block zur Hauptölgalerie.Frequently, the pump supplies via the supply line a main oil gallery, from which ducts lead to the at least two bearings of the crankshaft, with engine oil. The supply line either leads from the pump through the cylinder block to the main oil gallery or first into the cylinder head and then via block to the main oil gallery.
Stromabwärts der Verbraucher, d. h. nachdem das Öl in den Verbrauchern verwendet wurde, führen sogenannte Rückführleitungen das Motoröl zurück in die Ölwanne, wodurch der Ölkreislauf geschlossen wird. Die Rückführung des Öls ist dabei schwerkraftgetrieben. Der Ölkreislauf kann grundsätzlich in einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil unterteilt werden, wobei der Hochdruckteil den Abschnitt des Ölkreislaufs umfaßt, der stromaufwärts der Verbraucher liegt, und der Niederdruckteil den Abschnitt stromabwärts der Verbraucher bezeichnet.Downstream consumers, d. H. After the oil has been used in the consumers, so-called return lines return the engine oil to the oil sump, closing the oil circuit. The return of the oil is gravity driven. The oil circuit can basically be subdivided into a high-pressure part and a low-pressure part, the high-pressure part comprising the section of the oil circuit which lies upstream of the consumer, and the low-pressure part designating the section downstream of the consumer.
Die vorgesehene Pumpe selbst muß auch mit Öl versorgt werden. Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Saugleitung von der Ölwanne zur Pumpe führt, um die Pumpe mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl zu versorgen.The intended pump itself must also be supplied with oil. Embodiments of the internal combustion engine in which a suction line leads from the oil pan to the pump are advantageous in order to supply the pump with engine oil originating from the oil pan.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung stromabwärts der Pumpe zu dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel führt, wobei vorzugsweise zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel kein Verbraucher angeordnet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the supply line leads downstream of the pump to the at least one coolant jacket integrated in the housing are advantageous, wherein no consumer is preferably arranged between the pump and the at least one coolant jacket integrated in the housing.
Hinsichtlich einer möglichst schnellen Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und einer Reduzierung der Reibung in den mit Öl versorgten Verbrauchern, insbesondere den Lager, ist es vorteilhaft, wenn das Öl zunächst beim Durchströmen des Turbinengehäuses erwärmt wird bevor es den Verbrauchern zugeführt wird.With regard to the fastest possible heating of the engine oil during the warm-up phase of the internal combustion engine and a reduction of friction in the consumers supplied with oil, in particular the bearing, it is advantageous if the oil is first heated when flowing through the turbine housing before it is supplied to the consumers.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der in Rede stehenden Ausführungsform ist, dass der Abschnitt der Versorgungsleitung stromaufwärts der Verbraucher zum Hochdruckteil des Ölversorgungskreislaufs gehört. Folglich ist die Förderung des Öls durch das Turbinengehäuse druckgetrieben und nicht schwerkraftgetrieben wie beispielsweise bei einer Rückführleitung.Another significant advantage of the embodiment in question is that the portion of the supply line upstream of the consumer belongs to the high pressure part of the oil supply circuit. Consequently, the delivery of the oil through the turbine housing is pressure driven and not gravity driven such as in a return line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Pumpe ein Filter vorgesehen ist, vorzugsweise zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel.Embodiments of the internal combustion engine in which a filter is provided downstream of the pump are advantageous, preferably between the pump and the at least one coolant jacket integrated in the housing.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abführleitung zum Abführen von Öl aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel in das Ölversorgungssystem einmündet.Embodiments of the internal combustion engine in which the discharge line for discharging oil from the at least one coolant jacket opens into the oil supply system are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung mittels Abgasturboaufladung vorgesehen ist und die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which a charge is provided by means of turbocharging and the turbine is part of an exhaust gas turbocharger.
Eine flüssigkeitsgekühlte Turbine ist besonders vorteilhaft bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind.A liquid-cooled turbine is particularly advantageous in supercharged internal combustion engines, which are thermally particularly heavily loaded due to the higher exhaust gas temperatures.
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.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, whereby each cylinder per cycle can be supplied with a larger air mass. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
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.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the leads Charging to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. The charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, ie to improve the efficiency of the internal combustion engine.
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.Compared to a mechanical supercharger, the advantage of an exhaust gas turbocharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the cylinder head is equipped to form a liquid cooling system with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head are advantageous.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmungen erfolgt.In principle, it is possible to carry out the cooling in the form of air cooling or liquid cooling. In the air cooling, the internal combustion engine is provided with a fan, wherein the heat dissipation takes place by means of guided over the surface of the cylinder head air flows.
Hingegen erfordert die Flüssigkeitskühlung die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Block führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur 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.On the other hand, the liquid cooling requires the equipment of the internal combustion engine or the cylinder head and / or the cylinder block with a coolant jacket, d. H. the arrangement of the refrigerant through the cylinder head or block leading coolant channels, which requires a complex structure. In this case, the mechanically and thermally highly stressed cylinder head is weakened by the introduction of the coolant channels on the one hand in its strength. On the other hand, the heat must not be directed to the cylinder head surface as in the air cooling, to be dissipated. The heat is already in the interior of the cylinder head to the coolant, usually mixed with additives added water. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is removed in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again.
Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität einer Flüssigkeit gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist.Due to the much higher heat capacity of a liquid over air can be dissipated with the liquid cooling much larger amounts of heat than is possible with air cooling.
Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, im Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung einen Kühlmittelmantel zu integrieren.For the reasons mentioned, it is advantageous to integrate a coolant jacket in the cylinder head to form a liquid cooling.
Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass
- – im Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel auslaßseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel einlaßseitig angeordnet ist, wobei diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel voneinander getrennt sind und unterschiedlichen separaten Kühlmittelkreisläufen angehören.
- - In the cylinder head at least one coolant jacket outlet side and at least one coolant jacket is arranged on the inlet side, wherein these at least two coolant jackets are separated from each other and belong to separate separate coolant circuits.
Der Zylinderkopf verfügt über zwei voneinander unabhängige Kühlmittelkreisläufe, die jeweils mindestens einen Kühlmittelmantel umfassen und insbesondere mit unterschiedlichen Kühlmitteln betrieben werden können.The cylinder head has two independent coolant circuits, each comprising at least one coolant jacket and can be operated in particular with different coolants.
Diese Ausgestaltung bzw. Ausbildung der Flüssigkeitskühlung gestattet eine bedarfsgerechte Kühlung der Einlaßseite einerseits und der Auslaßseite andererseits und zwar unabhängig voneinander und entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil.This embodiment or design of the liquid cooling allows a demand-based cooling of the inlet side on the one hand and the outlet side on the other hand, and independently of each other and according to the respective requirement profile.
Der mindestens eine Kühlmittelmantel des einen Kreislaufs ist auslaßseitig und der mindestens eine Kühlmittelmantel des anderen Kreislaufs ist einlaßseitig angeordnet, so dass für die Einlaßseite und die Auslaßseite unterschiedliche Kühlleistungen realisiert werden können und zwar nicht nur durch den Einsatz unterschiedlicher Kühlmittel. Vielmehr kann die Pumpenleistung jedes Kreislaufs unabhängig voneinander gewählt und eingestellt werden und damit auch der Kühlmitteldurchsatz, d. h. das Fördervolumen. Hierdurch kann Einfluß auf die Durchflußgeschwindigkeit genommen werden, die den Wärmeübergang durch Konvektion maßgeblich mitbestimmt.The at least one coolant jacket of the one circuit is on the outlet side and the at least one coolant jacket of the other circuit is arranged on the inlet side, so that different cooling capacities can be realized for the inlet side and the outlet side and not only through the use of different coolants. Rather, the pump power of each circuit can be independently selected and adjusted and thus also the coolant flow rate, d. H. the delivery volume. In this way, influence can be taken on the flow rate, which decisively co-determines the heat transfer by convection.
Auf diese Weise kann dem Zylinderkopf einlaßseitig weniger Wärme und auslaßseitig mehr Wärme entzogen werden.In this way, less heat on the inlet side and more heat on the outlet side can be withdrawn from the cylinder head.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört. Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one outlet-side coolant jacket belongs to a cooling-water circuit are advantageous, whereas the at least one inlet-side coolant jacket belongs to an oil circuit.
Durch die Verwendung von Öl wird die Kühlleistung einlaßseitig gegenüber einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel spürbar vermindert. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Flüssigkeitskühlung bietet die Möglichkeit, dem Zylinderkopf einlaßseitig nur so viel Wärme zu entziehen, wie erforderlich ist, um eine Überhitzung zu verhindern, wohingegen die Einlaßseite nach dem Stand der Technik aufgrund der einheitlichen Verwendung von Wasser als Kühlmittel stärker gekühlt wird als dies eigentlich erforderlich ist, da die Auslegung der Kühlung im Hinblick auf die thermisch stärker beanspruchte Auslaßseite erfolgt. Die Brennkraftmaschine ist damit hinsichtlich der Kühlung optimiert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird durch die beschriebene Art der Flüssigkeitskühlung erhöht.By using oil, the cooling capacity on the inlet side is significantly reduced compared to the use of water as a coolant. The inventive design of the liquid cooling system offers the possibility of extracting only as much heat from the cylinder head on the inlet side as is necessary to prevent overheating, while the inlet side according to the prior art is cooled more than this due to the uniform use of water as the coolant actually required, since the interpretation of the cooling takes place with regard to the thermally stressed outlet side. The internal combustion engine is thus optimized in terms of cooling. The efficiency of the internal combustion engine is increased by the described type of liquid cooling.
Bei Verwendung von Öl als Kühlmittel für die Einlaßseite des Zylinderkopfes sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel und der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel demselben Ölkreislauf angehören. Bei geeigneter Kühlmittelführung ergeben sich insbesondere Vorteile beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Vorzugsweise durchströmt das Öl zunächst das Gehäuse und stromabwärts den Zylinderkopf.When using oil as the coolant for the inlet side of the cylinder head, embodiments are advantageous in which the at least one inlet-side coolant jacket and the at least one coolant jacket integrated in the housing belong to the same oil circuit. With a suitable coolant guide, there are advantages in particular when warming up the internal combustion engine after a cold start. Preferably, the oil first flows through the housing and downstream of the cylinder head.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf, bei der der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder und 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 integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine having at least one cylinder head, in which the at least one cylinder head has at least one cylinder and each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder, and an exhaust pipe adjoins each outlet opening, wherein the exhaust pipes to form at least one integrated Combine exhaust manifold inside the cylinder head to at least one total exhaust line.
Zu berücksichtigen ist, dass grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine, insbesondere die Turbine eines Abgasturboladers, 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.It should be noted that, in principle, the aim is to arrange the turbine, in particular the turbine of an exhaust gas turbocharger, as close as possible to the outlet of the cylinders so as to be able to optimally utilize the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature and to ensure a fast response of the turbine or the turbocharger. Furthermore, the path of the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases are given little time to cool and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as soon as possible, especially after a cold start of the engine.
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.Efforts are therefore made to minimize the thermal inertia of the section of the exhaust pipe between the exhaust port on the cylinder and the turbine or between the exhaust port on the cylinder and exhaust aftertreatment system, which can be achieved by reducing the mass and the length of this section.
Dabei ist es zielführend, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammen zu führen.It is expedient to lead the exhaust pipes together to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head.
Die Länge der Abgasleitungen wird durch die Integration des Krümmers 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.The length of the exhaust pipes is reduced by the integration of the manifold. First, the line volume, i. H. the exhaust volume of the exhaust pipes upstream of the turbine, reduced, so that the response of the turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases at the turbine inlet increases, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the entrance of the turbine is higher.
Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.The merging of the exhaust pipes within the cylinder head also allows a dense packaging of the drive unit.
Ein derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, weshalb erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt werden. Die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einer Flüssigkeitskühlung ist daher besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der Integration des Abgaskrümmers.However, such a trained cylinder head is thermally loaded higher than a conventional cylinder head, which is equipped with an external manifold, which is why increased demands are placed on the cooling. The equipment of the cylinder head with a liquid cooling is therefore particularly advantageous in connection with the integration of the exhaust manifold.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one cylinder head has at least two cylinders are advantageous.
Weist ein Zylinderkopf zwei Zylinder auf und führen die Abgasleitungen von einem Zylinder zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art.If a cylinder head has two cylinders and lead the exhaust gas lines from one cylinder to an entire exhaust line, this is an internal combustion engine of the type in question.
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 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.If the cylinder head has three or more cylinders and combine only the exhaust gas lines of two cylinders to form an overall exhaust gas line, this is likewise an internal combustion engine according to the invention.
Ausführungsformen, 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, führen ebenfalls zu erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen.Embodiments in which the cylinder head, for example, four arranged in series Cylinder and the exhaust pipes of the outer cylinder and the exhaust pipes of the inner cylinder merge in each case to form an overall exhaust gas, also lead to internal combustion engines according to the invention.
Bei drei und mehr Zylindern sind 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.
- - At least three cylinders are configured in such a way that they form two groups, each with at least one cylinder, and
- - Combine the exhaust gas lines of the cylinder of each cylinder group to form an exhaust manifold to form an overall exhaust gas line.
Diese Ausführungsform 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. 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.This embodiment is particularly suitable for the use of a twin-flow turbine. A double-flow turbine has an inlet region with two inlet channels, wherein the two total exhaust gas lines are connected to the twin-flow turbine in such a way that in each case an entire exhaust gas line opens into an inlet channel. The merging of the two exhaust gas flows guided in the total exhaust gas lines is optionally carried out downstream of the turbine. If the exhaust pipes are grouped in such a way that the high pressures, in particular the Vorlaßstöße, can be obtained, a double-flow turbine is particularly suitable for a shock charging, which also high turbine pressure ratios can be achieved at low speeds.
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.However, the grouping of the cylinders or exhaust pipes also offers advantages when using multiple turbines or exhaust gas turbocharger, wherein in each case an overall exhaust gas line is connected to a turbine.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.But are also advantageous embodiments in which the exhaust pipes of all cylinders of a cylinder head to a single, d. H. merge together overall exhaust gas line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, 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.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine housing is a casting are advantageous. By casting and using appropriate cores, the complex structure of the housing can be formed in one operation, so that subsequently only a post-processing of the housing and the assembly are required to form the turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder des Zylinderkopfes zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each cylinder of the cylinder head has two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder.
Die Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen der Zylinder sollen rechtzeitig freigeben und geschlossen werden, 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.The inlet openings and outlet openings of the cylinder should be released in time and closed, with a quick release of the largest possible flow cross sections is sought to keep the throttle losses in the incoming and outflowing gas flows low and the best possible filling of the combustion chamber with fresh mixture or an effective , d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, it is advantageous to equip the cylinders with two or more inlet openings or outlet openings.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine und der Zylinderkopf separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.Embodiments in which the turbine and the cylinder head constitute separate components which are connected to one another in a force-locking, positive-locking and / or material-locking manner are advantageous.
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.A modular construction, has the advantage that the individual components - namely the turbine or the cylinder head - can be combined according to the modular principle with other components, in particular other cylinder heads or turbines. The versatile applicability of a component usually increases the number of units, whereby the manufacturing costs per piece can be reduced. In addition, this reduces the costs if the turbine or the cylinder head due to a defect exchange, d. H. to replace.
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.Also advantageous are embodiments in which the turbine housing is at least partially integrated in the cylinder head, so that the cylinder head and at least a part of the turbine housing form a monolithic component.
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 Kreisläufe und der Leckage von Kühlmittel gilt Ähnliches in analoger Weise.The formation of a gas-tight, thermally highly resilient and therefore costly connection between the cylinder head and turbine eliminates the principle by the one-piece design. As a result, there is no longer the risk that exhaust gas unintentionally leaks due to leakage into the environment. With regard to the coolant circuits or the connection of the circuits and the leakage of coolant, the same applies analogously.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Öltemperatur angehoben wird, um den Wärmeeintrag in das Öl beim Durchströmen des Gehäuses zu vermindern.The second sub-task, namely to show a method according to the preamble of claim 13, is achieved by a method in which the oil temperature is raised in order to reduce the heat input into the oil as it flows through the housing.
Das für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt in analoger Weise für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb Bezug genommen wird auf das im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine Gesagte.The comments made for the internal combustion engine according to the invention apply analogously to the method according to the invention, for which reason reference is made to what has been said in connection with the internal combustion engine.
Der Wärmeübergang im Gehäuse läßt sich dadurch vermindern, dass die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmittel, d. h. Öl, durch Aufheizung des Öls herabgesetzt wird.The heat transfer in the housing can be reduced by the fact that the temperature difference between the housing and coolant, d. H. Oil is reduced by heating the oil.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der
Als Kühlmittel dient einerseits Öl (HTCÖl bzw. VÖl) und andererseits Wasser (HTCWasser bzw. VWasser). Bei dem verwendeten Kühlwasser handelt es sich um eine Mischung aus Wasser und Glykol.On the one hand serves as coolant (HTC oil or V oil ) and on the other hand water (HTC water or V water ). The cooling water used is a mixture of water and glycol.
Das dimensionslose Verhältnis HTC Ratio der Wärmeübergangskoeffizienten HTCÖl und HTCWasser ist auf der linken Ordinate aufgetragen und auf der Abszisse die Durchflußmenge ebenfalls als dimensionsloses Verhältnis VÖl/VWasser.The dimensionless ratio HTC ratio of the heat transfer coefficients HTC oil and HTC water is plotted on the left ordinate and on the abscissa the flow rate is also plotted as the dimensionless ratio V oil / V water .
Steigt die Kühlmitteltemperatur, beispielsweise von TKühlmittel = 20°C auf TKühlmittel = 120°C, nimmt der Wärmeübergangskoeffizient des Öls gegenüber dem Koeffizienten von Kühlwasser spürbar zu. Dies zeigt deutlich, dass bei höheren Kühlmitteltemperaturen die Kühlung mittels Öl Vorteile bei der Wärmeabfuhr hat, nämlich Öl stärker kühlt.If the coolant temperature rises, for example, from T coolant = 20 ° C. to T coolant = 120 ° C., the heat transfer coefficient of the oil appreciably increases compared to the coefficient of cooling water. This clearly shows that at higher coolant temperatures, the cooling by means of oil has advantages in heat dissipation, namely oil cools more.
Dem Diagramm kann darüber hinaus entnommen werden, dass – auch bei der Verwendung von Öl als Kühlmittel – der Wärmeübergangskoeffizient mit der Durchflußmenge zunimmt, da mit der Durchflußmenge die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt.It can also be seen from the diagram that, even with the use of oil as a coolant, the heat transfer coefficient increases with the flow rate, since the flow rate increases with the flow rate.
Insbesondere aber läßt sich dem Diagramm entnehmen, dass der Wärmeeintrag in das Kühlmittel durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel deutlich vermindert wird im Vergleich zu einer Kühlung mit Wasser. Dies liegt darin begründet, dass der Wärmeübergangskoeffizient HTCWasser von Wasser den Koeffizienten HTCÖl von Öl um ein Vielfaches übersteigt.In particular, however, can be seen from the diagram that the heat input into the coolant is significantly reduced by the use of oil as the coolant compared to a cooling with water. This is due to the fact that the heat transfer coefficient HTC water exceeds by water the coefficient HTC oil of oil many times over.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: DOERFLER, THOMAS, DR.-ING., DE |
|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: SEVENICH, FABIAN, DIPL.-ING., DE |
|
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |