DE102010037969B4 - Internal combustion engine with liquid-cooled turbine and method for cooling the turbine - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der- die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, der einem Ölkreislauf angehört,- der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und- jeder Zylinder auslassseitig mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase und einlassseitig mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- in dem mindestens einen Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel auslassseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel einlassseitig angeordnet ist, wobei diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel voneinander getrennt sind in der Art, dass der mindestens eine auslassseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlassseitige Kühlmittelmantel dem Ölkreislauf angehört.Internal combustion engine with at least one cylinder head and at least one liquid-cooled turbine, in which- the turbine, which has a turbine housing, has at least one coolant jacket that is integrated in the turbine housing to form a liquid cooling system and is part of an oil circuit,- the at least one cylinder head has at least one in the cylinder head to form a liquid cooling system is equipped with an integrated coolant jacket, and- each cylinder has at least one outlet opening on the outlet side for discharging the exhaust gases and on the inlet side at least one inlet opening for supplying fresh air, characterized in that- in the at least one cylinder head at least one coolant jacket is arranged on the outlet side and at least one coolant jacket is arranged on the inlet side, wherein said at least two coolant jackets are separated from each other in such a way that the at least one outlet-side coolant jacket belongs to a cooling water circuit, where on the other hand, the at least one inlet-side coolant jacket belongs to the oil circuit.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der
- - die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, der einem Ölkreislauf angehört,
- - der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und
- - jeder Zylinder auslassseitig mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase und einlassseitig mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist.
- - the turbine, which has a turbine housing, has at least one coolant jacket integrated in the turbine housing, which belongs to an oil circuit, to form a liquid cooling system,
- - the at least one cylinder head is equipped with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head to form a liquid cooling system, and
- - Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases on the outlet side and at least one inlet opening for supplying fresh air on the inlet side.
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.
Der mindestens eine Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ist zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet.The at least one cylinder head of the internal combustion engine is equipped with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head in order to form liquid cooling.
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, there is the possibility of carrying out the cooling in the form of air cooling or liquid cooling. In the case of air cooling, the internal combustion engine is provided with a fan, the heat being removed by means of air flows guided over the surface of the cylinder head.
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.In contrast, liquid cooling requires the internal combustion engine or the cylinder head and/or the cylinder block to be equipped with a coolant jacket, i. H. the arrangement of coolant channels leading the coolant through the cylinder head or block, which requires a complex structure. On the one hand, the strength of the cylinder head, which is subject to high mechanical and thermal loads, is weakened by the introduction of the coolant channels. On the other hand, unlike with air cooling, the heat does not first have to be conducted to the cylinder head surface in order to be dissipated. The heat is already given off inside the cylinder head to the coolant, usually water mixed with additives. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. In this way, the heat given off to the coolant is dissipated from inside the cylinder head and withdrawn from the coolant again in a heat exchanger.
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 significantly higher thermal capacity of a liquid compared to air, significantly larger amounts of heat can be dissipated with liquid cooling 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 system.
Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der
Die
In dem Zylinderkopf der
Eine Brennkraftmaschine, bei der der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist und jeder Zylinder auslassseitig mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase und einlassseitig mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, beschreibt auch die
Die
Die
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 routed through one or more exhaust gas 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 containing nickel--is cost-intensive, in particular 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 the processing of 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.From a cost perspective, therefore, it would 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. Especially when it is taken into account that an arrangement of the turbine close to the engine, which is basically the aim, leads to a relatively large dimensioned, voluminous housing, because the connection of turbine and cylinder head by means of flange and screws requires a large turbine inlet area due to the limited space, also because it is sufficient Space must be provided for the assembly tools. The voluminous housing brings with it a correspondingly high weight. The weight advantage of aluminum compared to a material that can withstand high thermal loads is therefore particularly evident in a turbine located close to the engine due to the comparatively large amount of material used.
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 be able to use cheaper materials for the production of the turbine, the turbine is equipped with cooling, for example with liquid cooling, according to the prior art, which greatly reduces the thermal load on the turbine or the turbine housing by the hot exhaust gases and thus the Allows the use of less thermally resilient materials.
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.As a rule, the turbine housing is provided with at least one coolant jacket to form the cooling system. Both concepts are known from the prior art, in which the housing is a cast part 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, with the assembly a cavity is formed, which serves as a coolant jacket.
Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
Die
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 water, which is usually used as a coolant, large amounts of heat can be extracted from the housing by means of liquid cooling. The heat is given off to the coolant inside the housing and dissipated with the coolant. The heat is then extracted from the coolant in a heat exchanger.
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, there is the possibility of equipping the liquid cooling of the turbine with a separate heat exchanger or—in the case of a liquid-cooled internal combustion engine—the heat exchanger of the engine cooling, ie the heat dew shear another liquid cooling, to use for this. The latter only requires 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 40kW 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.Equipping the turbines with liquid cooling allows the casings to be made of less heat-resistant materials, such as low-alloy steels, gray cast iron, aluminum. On the other hand, the amount of heat absorbed by the coolant in the turbine housing can be 40 kW and more. Extracting such a high amount of heat from the coolant in a heat exchanger and dissipating it to the environment by means of an air flow proves 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.Modern motor vehicle drives are equipped with powerful fan motors in order to provide the air mass flow required for sufficiently high heat transfer to the heat exchangers. But another parameter that is decisive for the heat transfer, namely the surface area available for the heat transfer, cannot be designed or enlarged as desired, since the space available in the front-end area of the vehicle, in which the various heat exchangers are usually be arranged is limited.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig - neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung - über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.In addition to the heat exchanger for engine cooling, modern motor vehicles often have 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.A charge air cooler is often arranged on the intake side of a supercharged internal combustion engine in order to contribute to better charging of the cylinders. In order to maintain a maximum permissible oil temperature, the heat dissipation via the oil pan is often no longer sufficient due to heat conduction and natural convection, so that an oil cooler is provided in individual cases. In addition, modern internal combustion engines are increasingly being equipped with exhaust gas recirculation. 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 require cooling of the exhaust gas to be recirculated, i. H. a compression of the exhaust gas by cooling, require. Additional coolers can be provided, for example to cool the transmission oil in automatic transmissions and/or to cool hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used in the context of hydraulically actuated adjustment devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger that has to give off heat to the environment during operation, i.e. it needs a sufficiently high air flow and must therefore 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 cannot 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.In practice, it is not possible to provide a sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of the turbine in the front-end area in order to be able to dissipate the large amounts of heat when using materials that are less thermally resilient.
Bei der konstruktiven Auslegung einer flüssigkeitsgekühlten Turbine ist daher ein Kompromiß zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich, d. h. einzugehen.When designing a liquid-cooled turbine, a compromise between cooling capacity and material is therefore necessary, i. 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 a liquid-cooled turbine internal combustion engine 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.A further sub-task of the present invention is to indicate 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 einem Zylinderkopf und mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der
- - die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, der einem Ölkreislauf angehört,
- - der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und
- - jeder Zylinder auslassseitig mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase und einlassseitig mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist,
- - in dem mindestens einen Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel auslassseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel einlassseitig angeordnet ist, wobei diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel voneinander getrennt sind in der Art, dass der mindestens eine auslassseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlassseitige Kühlmittelmantel dem Ölkreislauf angehört.
- - the turbine, which has a turbine housing, has at least one coolant jacket integrated in the turbine housing, which belongs to an oil circuit, to form a liquid cooling system,
- - the at least one cylinder head is equipped with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head to form a liquid cooling system, and
- - each cylinder has at least one outlet opening on the outlet side for discharging the exhaust gases and on the inlet side at least one inlet opening for supplying fresh air,
- - in the at least one cylinder head, at least one coolant jacket is arranged on the outlet side and at least one coolant jacket on the inlet side, these at least two coolant jackets being separated from one another in such a way that the at least one coolant jacket on the outlet side belongs to a cooling water circuit, whereas the at least an inlet-side coolant jacket belongs to the oil circuit.
Erfindungsgemäß wird als Kühlmittel nicht Wasser, sondern Öl eingesetzt. Dies hat gleich mehrere Vorteile.According to the invention, not water but oil is used as the coolant. 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 thermally less resilient materials for the manufacture of the housing, for example the use of low-alloy steels, gray cast iron or aluminium.
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, however, the heat input into the coolant can be limited by using oil as the coolant and significantly reduced compared to the coolant water, so that the conflict known from the prior art, which results from the use of water as a coolant and therein exists, very large amounts of heat can be handled in terms of process technology, d. H. there is no longer any need to withdraw it from the water used as a coolant.
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 using oil as a coolant is due, among other things, 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.The Nusselt number, a dimensionless number from the theory of similarities, can be used to describe the heat transfer to a flowing fluid, for example the heat input into the coolant as it flows 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 for heat transfer due to convection and is therefore a measure of the quality, i. 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 is significantly higher than when oil is used for cooling. As part of the description of the figures, the differences are explained in more detail using a specific 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.Due to the liquid cooling provided, the housing of the turbine can be manufactured from inexpensive materials without excessively large amounts of heat having to be dissipated, since the heat transfer in the housing is specifically 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 thermally highly resilient materials, in particular materials containing nickel, for the production of the turbine housing, since the turbine is also equipped with liquid cooling according to the invention. On the other hand, the cooling capacity, i. H. the heat input into the coolant is reduced by the use of oil in such a way that the amounts of heat to be dissipated do not pose a problem in terms of process technology.
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 cost-intensive materials superfluous, without excessively large amounts of heat having to be dissipated in connection with the cooling of the turbine.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft auf, wobei in dem mindestens einen 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 internal combustion engine according to the invention, each cylinder has at least one outlet opening on the outlet side for discharging the exhaust gases and on the inlet side at least one inlet opening for supplying fresh air, with at least one coolant jacket being arranged on the outlet side and at least one coolant jacket on the inlet side in the at least one cylinder head, these at least two coolant jackets being separated from each other are separated and belong to different 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 coolant circuits that are independent of one another, each of which includes at least one coolant jacket and, in particular, can be operated 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 cooling of the inlet side on the one hand and of the outlet side on the other hand, as required, independently of one another and in accordance with the respective profile of requirements.
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 one circuit is on the outlet side and the at least one coolant jacket of the other circuit is on the inlet side, so that different cooling capacities can be realized for the inlet side and the outlet side, and not just by using different coolants. Rather, the pump performance of each circuit can be selected and adjusted independently of one another and thus also the coolant throughput, i. H. the delivery volume. This allows the flow rate to be influenced, which has a decisive influence on 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 can be extracted from the cylinder head on the inlet side and more heat on the outlet side.
Erfindungsgemäß gehört der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf an, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.According to the invention, the at least one outlet-side coolant jacket belongs to a cooling water circuit, 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 intake side is noticeably reduced compared to using water as a coolant. The liquid cooling design according to the invention offers the possibility of extracting only as much heat from the cylinder head on the inlet side as is necessary to prevent overheating, whereas the inlet side is cooled more than this according to the prior art due to the uniform use of water as a coolant is actually necessary because the cooling is designed with regard to the outlet side, which is subject to greater thermal stress. The internal combustion engine is thus optimized in terms of cooling. The efficiency of the internal combustion engine is increased by the type of liquid cooling described.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Öl als Kühlmittel für die Einlaßseite des Zylinderkopfes gehören der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel und der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelmantel demselben Ölkreislauf an. Bei geeigneter Kühlmittelführung ergeben sich insbesondere Vorteile beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Vorzugsweise durchströmt das Öl zunächst das Turbinengehäuse und stromabwärts den Zylinderkopf.When using oil as coolant for the inlet side of the cylinder head according to the invention, the at least one inlet-side coolant jacket and the at least one coolant jacket integrated in the turbine housing belong to the same oil circuit. With suitable coolant routing, there are particular advantages when the internal combustion engine is warmed up after a cold start. The oil preferably first flows through the turbine housing and downstream through the cylinder head.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.This solves the problem on which the invention is based, namely to provide an internal combustion engine with a liquid-cooled turbine that is optimized in terms of 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 is used to lubricate 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 for the turbine shaft as such does not have a coolant jacket, which clearly distinguishes the oil cooling according to the invention from the oil supply.
Die
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 through the use of oil, not only because of the effects described in connection with the Nusselt number. It must also be taken into account that oil can be heated much more than water, which - assuming atmospheric pressure - evaporates at 100°C. Consequently, the heat transfer in the housing can also be further reduced by reducing the temperature difference between the housing and the coolant, i. H. Oil, is reduced by heating the oil. In individual cases, oil can be heated 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 of radial design or of axial design, i. H. the flow towards the rotor blades is essentially radial or axial. In this case, essentially radially means that the speed component in the radial direction is greater than the axial speed component. Velocity vector of flow intersects shaft or axis of turbine at right angle, if flow runs exactly radial. If the speed component is greater in the axial direction, the turbine is of 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 against the rotor blades, it is advantageous to design the inlet area of the turbine for supplying the exhaust gas as a spiral or worm housing running all around, so that the exhaust gas flows to the turbine 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 further adjustment to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. Movable guide vanes are arranged in the inlet area of the turbine to influence the direction of flow. Unlike the blades of the rotating impeller, the guide 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, unchangeable geometry, the guide vanes are not only stationary, but also arranged completely immobile in the inlet area, i. H. rigidly fixed. If, on the other hand, a turbine with variable geometry is used, the guide vanes are arranged in a stationary manner, but are not completely immobile but can be rotated about their axis, so that the flow onto the moving vanes 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 are advantageous in which, to form the oil circuit, a discharge line for discharging oil from the at least one coolant jacket and a supply line for supplying the at least one coolant jacket with oil is provided.
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 Turbinengehäuse und damit eine weitere Einflußnahme auf die Kühlung des Turbinengehäuses und den Wärmeeintrag in das als Kühlmittel dienende Öl.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine in which a pump for pumping the oil and a heat exchanger are provided in the oil circuit. The pump allows control, i. H. the determination of the flow rate through the turbine housing and thus a further influence on the cooling of the turbine housing and the heat input into the oil serving as a coolant.
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 are advantageous in which an oil supply system is provided that supplies at least one consumer with oil, in particular for lubricating moving components of the internal combustion engine. In the context of lubrication, the oil serves to reduce the proportion of solid body friction and, in the best case, to realize not only mixed friction, but liquid friction between components that move relative to one another. This primarily serves to ensure the durability of the components, but also to reduce 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 Lagern können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.A consumer in the sense mentioned above is the crankshaft, whose bearings are to be supplied with lubricating oil. At least two bearings are provided in the crankcase for accommodating and supporting the crankshaft, which are generally designed in two parts and each include a bearing saddle and a bearing cap that can be connected to the bearing saddle. The crankshaft is mounted in the area 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. Bearing caps and bearing saddles can be used as separate components or in one piece with the crankcase, i. H. be formed with the crankcase halves. Bearing shells can be arranged as intermediate elements between the crankshaft and the bearings.
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. A bearing saddle and a bearing cap each form—possibly in cooperation with bearing shells as intermediate elements—a bore for receiving a crankshaft journal. The holes are usually filled with engine oil, i. H. lubricating oil, so that ideally a load-bearing lubricating film is formed between the inner surface of each bore and the associated crankshaft journal when the crankshaft is rotating - similar to a plain bearing.
Zur Versorgung der Lager mit Öl ist entsprechend der in Rede stehenden Ausführungsform ein Ölversorgungssystem vorgesehen.According to the embodiment in question, an oil supply system is provided for supplying the bearings with oil.
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.A camshaft, which is usually mounted in a two-part so-called camshaft mount, can form a further consumer that is to be supplied with oil via the oil supply. The statements already made with regard to the crankshaft bearing apply in an analogous manner. The camshaft mount is also usually supplied with lubricating oil. For this purpose, a supply channel can be provided, which leads, for example, from the crankshaft mount to the downstream camshaft mount. Alternatively, a supply line can be provided, which leads from a pump provided in the oil supply directly to the camshaft mount.
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, i. H. Recordings are referred to as consumers in the context of the present invention, 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.Other loads can be, for example, the bearings of a connecting rod or a balancer shaft that may be provided. Also consumer in the above sense is also a spray oil cooling, which the piston head for cooling by means of nozzles from below, d. H. on the crankcase side, wetted with engine oil and therefore needs oil, 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 therefore 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.An oil filter arranged in the supply line or an oil cooler that may be provided, as well as a pump provided for oil delivery, are not consumers within the meaning of the present invention. It is true that these components of the oil circuit of the oil supply are also supplied with engine oil. Due to the principle, however, an oil circuit involves the use of these components, which only have tasks, i. H. Have functions that affect the oil as such, whereas a consumer only makes the oil circuit necessary.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the oil supply system is connected to the at least one coolant jacket integrated in the turbine housing.
Die Reibung in den via Ölversorgungssystem mit Öl versorgten Verbrauchern, beispielsweise den Lagern 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 consumers supplied with oil via the oil supply system, for example the bearings of the crankshaft, which largely depends on the viscosity and thus 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.Efforts are basically made to minimize fuel consumption, which is why a reduction in friction loss is also sought. Reduced fuel consumption also contributes to a reduction in pollutant emissions.
Ist das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden, dient das Motoröl gleichzeitig als Kühlmittel für die Turbine. Das Öl erfährt beim Durchströmen des Turbinengehäuses 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 turbine housing, the engine oil also serves as a coolant for the turbine. The oil experiences an increase in temperature as it flows through the turbine housing. In this context, it must be taken into account that the turbine is subject to high thermal loads, in particular compared to the cylinder head or crankcase, so that the heating of the oil, i. H. the rise in oil temperature when flowing through the turbine housing is more pronounced than when flowing through the cylinder head or 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.This ensures rapid heating of the engine oil and rapid heating of the internal combustion engine, particularly after a cold start. 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 friction or friction power, particularly in the bearings supplied with oil.
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 Turbinengehäuses 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 Turbinengehäuse 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 further advantages. Because 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 also forms the oil circuit required and provided for cooling the turbine housing, so that the other components and units required to form a cooling circuit are basically only simple Version must be provided and can be used both for the cooling circuit of the turbine and for the oil supply, which leads to synergies and significant cost savings, but also brings with it a weight saving. Thus, only one pump for pumping the oil serving as a coolant and one container for storing the oil must be provided. The heat given off to the oil in the turbine housing and in the internal combustion engine can be dissipated in a common heat exchanger, if this is required 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 cylinder block connected to the at least one cylinder head and serving as the upper half of the crankcase, which is connected to an oil pan serving as the lower half of the crankcase, which is used to collect and store engine oil, on the side facing away from the cylinder head, and
- - A pump for pumping the engine oil via the 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 form the individual cylinders, i. 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 to accommodate the pistons and the cylinder tubes. The piston of each cylinder is guided in a cylinder tube so that it can move axially and, together with the cylinder tube and the cylinder head, delimits the combustion chamber of a cylinder. The piston crown forms part of the inner wall of the combustion chamber and, together with the piston rings, seals the combustion chamber against the crankcase so that no combustion gases or combustion air can get into the crankcase and no oil can get into 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 connected in an articulated manner by means of a piston pin to 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 absorbs the connecting rod forces, which are made up of the gas forces resulting from fuel combustion in the combustion chamber and the inertial forces resulting from the non-uniform movement of the engine parts. The oscillating stroke movement of the pistons is transformed into a rotating rotary movement of the crankshaft. The crankshaft transmits the torque to the drive train. Part of the energy transferred to the crankshaft is usually used to drive auxiliary units such as the oil pump and alternator, or is used to drive the camshaft and thus actuate the valve train. The camshaft is often mounted 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 within the scope of the present invention, the upper crankcase half formed by the cylinder block. The crankcase is supplemented by the lower half of the crankcase, which can be mounted on the upper half of the crankcase and serves as an oil pan. The upper half of the crankcase has a flange surface for accommodating the oil pan, ie the lower half of the crankcase. As a rule, a seal is provided in or on the flange surface to seal off the oil pan or the crankcase from the environment. The connection is often made by a screw connection. The oil pan is used to collect and store the engine oil and is part of the oil circuit, ie the oil supply. In addition, the oil pan serves as a heat exchanger to lower the oil temperature when the internal combustion engine has been heated to operating temperature. The oil in the oil pan is cooled by heat conduction and convection by means of an air flow that is guided past the outside.
Eine Pumpe dient zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.A pump is used to deliver 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 Lagern 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.The pump often supplies engine oil via a supply line to a main oil gallery, from which channels lead to the at least two bearings of the crankshaft. The supply line either runs from the pump through the cylinder block to the main oil gallery or first into the cylinder head and then via the 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 of consumers, i. H. After the oil has been used in the consumers, so-called return lines lead the engine oil back into the oil pan, which closes the oil circuit. The return of the oil is driven by gravity. The oil circuit can basically be divided into a high-pressure part and a low-pressure part, with the high-pressure part comprising the section of the oil circuit that is upstream of the consumer and the low-pressure part being 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 proposed pump itself must also be supplied with oil. Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which a suction line leads from the oil pan to the pump 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 Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel führt, wobei vorzugsweise zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel kein Verbraucher angeordnet ist.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the supply line leads downstream of the pump to the at least one coolant jacket integrated in the turbine housing, with no consumer preferably being arranged between the pump and the at least one coolant jacket integrated in the turbine 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 Lagern, ist es vorteilhaft, wenn das Öl zunächst beim Durchströmen des Turbinengehäuses erwärmt wird bevor es den Verbrauchern zugeführt wird.With regard to heating the engine oil as quickly as possible during the warm-up phase of the internal combustion engine and reducing friction in the consumers supplied with oil, in particular the bearings, it is advantageous if the oil is first heated as it flows through the turbine housing before it is fed 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 section of the supply line upstream of the consumer belongs to the high-pressure part of the oil supply circuit. Consequently, the movement of 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 Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which a filter is provided downstream of the pump, preferably between the pump and the at least one coolant jacket integrated in the turbine 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 are advantageous in which the drain line for draining oil from the at least one coolant jacket opens into the oil supply system.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung mittels Abgasturboaufladung vorgesehen ist und die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which charging by means of exhaust gas turbocharging is provided 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 subject to particularly high thermal loads 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.Supercharging is primarily used to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which means that each cylinder can be supplied with a larger mass of air per cycle. As a result, the fuel mass and thus the intermediate 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.Supercharging is a suitable means of increasing the performance of an internal combustion engine with the same displacement, or reducing the displacement with the same performance. In any case, supercharging leads to an increase in installation space performance and a more favorable mass of power. With the same vehicle boundary conditions, the load collective can be shifted towards higher loads where the specific fuel consumption is lower. The supercharger therefore supports the constant effort in the development of internal combustion engines, the 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 for 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 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 with at least one cylinder head are advantageous, 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 line is connected to each outlet opening, the exhaust lines forming at least one integrated Combine the exhaust manifold within the cylinder head to form at least one overall 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 must be taken into account that the basic aim is to arrange the turbine, in particular the turbine of an exhaust gas turbocharger, as close as possible to the outlet of the cylinder in order to be able to optimally use 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 rapid response of the turbine or 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 have little time to cool down and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off temperature as quickly as possible, especially after a cold start of the internal combustion 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 being made to minimize the thermal inertia of the section of exhaust pipe between the outlet opening on the cylinder and the turbine or between the outlet opening on the cylinder and the exhaust aftertreatment system, which can be achieved by reducing the mass and 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 here to bring the exhaust gas lines 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 integrating the manifold. On the one hand, the line volume, i. H. the exhaust gas volume of the exhaust pipes upstream of the turbine, is 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 turbine inlet is also 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 the drive unit to be packaged tightly.
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, a cylinder head designed in this way is subject to higher thermal loads than a conventional cylinder head that is equipped with an external manifold, which is why increased demands are placed on the cooling. Equipping the cylinder head with 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 are advantageous in which the at least one cylinder head has at least two cylinders.
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 the exhaust gas lines from one cylinder combine to form an overall exhaust gas line, this is an internal combustion engine according to the invention 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 only the exhaust gas lines from two cylinders combine to form an overall exhaust gas line, this is also 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 has, for example, four cylinders arranged in a row and the exhaust gas lines of the outer cylinders and the exhaust gas lines of the inner cylinders each combine to form an overall exhaust gas line 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 to form two groups of at least one cylinder each, and
- - Merge the exhaust lines of the cylinders of each cylinder group to form an exhaust manifold to form a total exhaust 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 double-flow turbine. A double-scroll turbine has an inlet area with two inlet channels, the two Total exhaust gas lines are connected to the double-flow turbine in such a way that each total exhaust gas line opens into an inlet channel. The two exhaust gas flows guided in the overall exhaust gas lines are combined, if necessary, downstream of the turbine. If the exhaust gas lines are grouped in such a way that the high pressures, in particular the pre-discharge pulses, can be maintained, a twin-flow turbine is particularly suitable for pulse charging, with which high turbine pressure ratios can also 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 gas lines also offers advantages when using a plurality of turbines or exhaust gas turbochargers, with a total exhaust gas line being connected to a turbine in each case.
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. bring together the common overall exhaust 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 cast part are advantageous. By casting and using appropriate cores, the complex structure of the housing can be formed in one operation, so that only post-processing of the housing and assembly are then 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.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous 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 cylinders should be released and closed in good time, with the aim being to release the largest possible flow cross-sections quickly in order to keep the throttling losses in the inflowing and outflowing gas flows low and to ensure that the combustion chamber is filled as well as possible with fresh mixture or an effective , i.e. H. to ensure the complete removal of exhaust gases. It is therefore 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 are advantageous in which the turbine and the cylinder head represent separate components which are connected to one another in a force-fitting, form-fitting and/or material-fitting manner.
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 design has the advantage that the individual components—namely the turbine or the cylinder head—can also be combined with other components, in particular other cylinder heads or turbines, according to the modular principle. The versatility of a component usually increases the number of pieces, which means that the manufacturing costs per piece can be reduced. In addition, this reduces the costs if the turbine or the cylinder head has to be replaced due to a defect, ie. H. is to be replaced.
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 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 design of a gas-tight, thermally highly resilient and therefore cost-intensive connection between the cylinder head and turbine is eliminated due to the principle of the one-piece design. As a result, there is no longer any risk of exhaust gas escaping into the environment unintentionally as a result of a leak. The same applies in an analogous manner with regard to the coolant circuits or the connection of the circuits and the leakage of coolant.
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 Turbinengehäuses 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 turbine 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.What was said for the internal combustion engine according to the invention applies in an analogous manner to the method according to the invention, which is why reference is made to what was said in connection with the internal combustion engine.
Der Wärmeübergang im Turbinengehäuse läßt sich dadurch vermindern, dass die Temperaturdifferenz zwischen Turbinengehäuse und Kühlmittel, d. h. Öl, durch Aufheizung des Öls herabgesetzt wird.The heat transfer in the turbine housing can be reduced by reducing the temperature difference between the turbine housing and the coolant, i. H. Oil, is reduced by heating the oil.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der
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1 in einem Diagramm das Verhältnis der Wärmeübergangskoeffizienten von zwei verschiedenen Kühlmitteln in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und der Durchflußmenge.
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1 in a diagram the ratio of the heat transfer coefficients of two different coolants as a function of the coolant temperature and the flow rate.
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.Oil (HTC Oil or V Oil ) and water (HTC Water or V Was ) are used as coolants ser ). 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 the flow rate is also plotted on the abscissa as a dimensionless ratio V oil /V water .
Steigt die Kühlmitteltemperatur, beispielsweise von TKühimittel = 20°C auf TKühimittel = 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 increases, for example from T coolant average = 20°C to T coolant average = 120°C, the heat transfer coefficient of the oil increases noticeably compared to the coefficient of cooling water. This clearly shows that at higher coolant temperatures, cooling with oil has advantages in terms of 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.The diagram also shows that - even when using 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, it can be seen from the diagram that the heat input into the coolant is significantly reduced by using oil as the coolant compared to cooling with water. This is due to the fact that the HTC water heat transfer coefficient of water exceeds the HTC oil coefficient of oil many times over.
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- 2011-09-28 CN CN201110296095.2A patent/CN102444463B/en active Active
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Also Published As
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