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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, wobei zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, ein Wärmetauscher und ein Entlüftungsbehälter vorgesehen sind, und
- - mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, die drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse gelagert ist, wobei zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung das Lagergehäuse mittels Verbindungsleitung in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen. Die
DE 34 07 521 C1 beschreibt eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art.
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Zur Ausbildung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine wird der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden. Der Zylinderblock, welcher das Kurbelgehäuse zumindest mit ausbildet, weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
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In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die in einem Lagergehäuse gelagerte Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden häufig mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und guten Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
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Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der Abgasabblasung mittels einer Bypaßleitung an der sogenannten Waste-Gate-Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber Nachteile bei höheren Drehzahlen.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader - Abgasturbolader und/oder mechanische Lader - parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
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Eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist infolge des erhöhten Mitteldrucks thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Saugmotor und stellt daher auch erhöhte Anforderungen an die Kühlung. Um die thermische Belastung in Grenzen zu halten, wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine in der Regel mit einer Kühlung ausgestattet, die im Folgenden auch als Motorkühlung bezeichnet wird. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Da mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können, wird eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Art in der Regel mit einer Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine, d. h. des mindestens einen Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von den Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. -block führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf bzw. -block durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Oberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe, die in der Regel mechanisch mittels Zugmitteltrieb angetrieben wird, gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen. Ein im Kühlkreislauf vorgesehener Entlüftungsbehälter dient zur Entlüftung des Kühlmittels bzw. Kreislaufs.
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Die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ist ebenfalls - wie die Brennkraftmaschine selbst - thermisch hoch belastet. Dies führt dazu, dass das Turbinengehäuse nach dem Stand der Technik aus temperaturfestem, häufig nickelhaltigen Material gefertigt wird oder mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten ist, um weniger temperaturfeste Werkstoffe verwenden zu können. Die
EP 1 384 857 A2 und die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 257 A1 beschreiben flüssigkeitsgekühlte Turbinen bzw. Turbinengehäuse.
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Das heiße Abgas der aufgeladenen Brennkraftmaschine führt auch zu einer hohen thermischen Belastung des Lagergehäuses und folglich des Lagers der Laderwelle. Damit ist ein entsprechend hoher Wärmeeintrag in das dem Lager zwecks Schmierung zugeführte Öl verbunden. Das Lager ist aufgrund der hohen Drehzahl der Laderwelle in der Regel nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager ausgebildet. Infolge der Relativbewegung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse bildet sich ein tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Welle und Lagerbohrung aus.
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Das Öl sollte eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigen, da die Viskosität mit zunehmender Temperatur abnimmt und sich das Reibverhalten bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur verschlechtert. Eine zu hohe Öltemperatur beschleunigt zudem die Alterung des Öls, wobei sich auch die Schmiereigenschaften des Öls verschlechtern. Beides verkürzt die Wartungsintervalle für den Ölwechsel und kann die Funktionstüchtigkeit des Lagers gefährden, wobei sogar eine irreversible Zerstörung des Lagers und damit des Turboladers möglich ist.
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Aus den zuvor genannten Gründen wird das Lagergehäuse eines Turboladers einer Brennkraftmaschine der vorliegenden Art nach dem Stand der Technik mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen der Flüssigkeitskühlung des Lagergehäuses und der oben erwähnten Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses. Nichtsdestotrotz können beide Flüssigkeitskühlungen - gegebenenfalls auch nur zeitweise - miteinander in Verbindung stehen, d. h. miteinander kommunizieren.
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Im Gegensatz zur Motorkühlung bzw. Kühlung des Turbinengehäuses muß die Kühlung des Lagergehäuses auch bei abgestelltem Fahrzeug, d. h. abgeschalteter Brennkraftmaschine, zumindest für eine bestimmte Dauer nach Abschalten der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden, um irreversible Schäden durch thermische Überlastung sicher zu vermeiden.
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Dies kann grundsätzlich durch eine zusätzliche, elektrisch betriebene Pumpe bewerkstelligt werden, welche beispielsweise von der Bordbatterie versorgt wird, bei abgeschalteter Brennkraftmaschine Kühlmittel via Verbindungsleitung durch das Lagergehäuse fördert und damit eine Kühlung des Lagergehäuses und des Lagers auch bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine gewährleistet. Das Vorsehen einer zusätzlichen Pumpe ist aber eine vergleichsweise kostenintensive Maßnahme.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, die auf eine zusätzliche Pumpe verzichten. Dabei wird eine Steigleitung durch das Lagergehäuse des Abgasturboladers gelegt, welche als Verbindungsleitung fungiert und ausgehend vom Kühlkreislauf der Motorkühlung durch das Lagergehäuse bis hin zum Entlüftungsbehälter führt. Die Förderung des Kühlmittels bei abgeschalteter Brennkraftmaschine erfolgt durch den sogenannten Thermosiphon-Effekt, welcher im Wesentlichen auf zwei Mechanismen basiert.
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Aufgrund des - auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine - fortdauernden Wärmeeintrags vom erhitzten Lagergehäuse in das in der Steigleitung befindliche Kühlmittel erhöht sich die Kühlmitteltemperatur, wodurch die Dichte des Kühlmittels abnimmt und das vom Kühlmittel beanspruchte Volumen zunimmt. Eine Überhitzung des Kühlmittels kann darüber hinaus zu einer teilweisen Verdampfung von Kühlmittel führen, so dass Kühlmittel in die Gasphase übergeht. In beiden Fällen beansprucht das Kühlmittel ein größeres Volumen, wodurch schließlich weiteres Kühlmittel in Richtung Entlüftungsbehälter verdrängt, d. h. gefördert, wird.
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Die Ausbildung der Kühlung des Lagergehäuses unter Verwendung einer Steigleitung und Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts führt aber nicht zu einer bedarfsgerechten Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel, was Nachteile mit sich bringt.
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Ohne weitere Maßnahmen wird auch nach einem Kaltstart während der Warmlaufphase Kühlmittel via Steigleitung durch das Lagergehäuse in den Entlüftungsbehälter gefördert, obwohl zu diesem Zeitpunkt keine Kühlung des Lagers erforderlich ist. Die ungewollte Kühlmittelförderung wirkt auch der angestrebten schnellen Aufwärmung der Aggregate auf eine Mindesttemperatur bzw. Betriebstemperatur entgegen.
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Zudem sollte der Kühlmitteldurchsatz durch den Entlüftungsbehälter insbesondere bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen so gering wie möglich sein. Vorteilhafterweise sollte der Durchsatz vollständig unterbunden werden, solange das Kühlmittel nicht eine vorgebbare Mindesttemperatur überschritten hat. Zum einen setzt eine Entgasung, d. h. eine Entlüftung, eine gewisse Verweildauer des Kühlmittels im Entlüftungsbehälter voraus, weshalb der Durchsatz grundsätzlich begrenzt werden sollte. Zum anderen führt eine niedrige Temperatur des Kühlmittels bzw. die durch die niedrige Temperatur bedingte höhere Viskosität des Kühlmittels dazu, dass das Kühlmittel beim Ausströmen aus dem Entlüftungsbehälter - entgegen der eigentlichen Zielsetzung - wieder mit Luft angereichert wird. Letzteres ist ein grundsätzlich Problem bei der Entlüftung mittels Entlüftungsbehälter, aber bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen besonders ausgeprägt, wohingegen zu höheren Temperaturen hin die Wiederanreicherung des Kühlmittels mit Luft nicht stattfindet bzw. vernachlässigt werden kann. Der Kühlmitteldurchsatz hat ebenfalls - wenn auch einen untergeordneten - Einfluß auf die Wiederanreicherung des Kühlmittels mit Luft, wobei ein zunehmender Durchsatz den Effekt verstärkt.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung des Lagergehäuses bzw. des Wellenlagers des Abgasturboladers optimiert ist
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, wobei zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, ein Wärmetauscher und ein Entlüftungsbehälter vorgesehen sind, und
- - mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, die drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse gelagert ist, wobei zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung das Lagergehäuse mittels Verbindungsleitung in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden ist,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - das Lagergehäuse zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter angeordnet ist, und
- - in der Verbindungsleitung zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter ein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur selbsttätig steuerndes Ventil angeordnet ist, welches der Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes dient.
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Erfindungsgemäß wird die Kühlmittelförderung via Verbindungsleitung durch das Lagergehäuse bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase, mittels Ventil unterbunden bzw. minimiert.
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Mit der ungewollten Kühlmittelförderung bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen entfällt auch die insbesondere bei diesen Temperaturen auftretende Problematik der Wiederanreicherung des Kühlmittels mit Luft bei Verlassen des Entlüftungsbehälters.
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Als Ventil wird ein selbsttätig steuerndes Ventil verwendet, welches in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur den Strömungsquerschnitt der Verbindungsleitung variiert und damit den Kühlmitteldurchsatz durch das Lagergehäuse steuert und zwar in der Art, dass der Durchsatz mit steigender Kühlmitteltemperatur erhöht wird. Folglich wird bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nicht nur der ungewollten Kühlmittelförderung bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen entgegengewirkt, sondern auch die Kühlmittelförderung und damit die Kühlung hin zu hohen Temperaturen durch Anhebung des Durchsatzes, d. h. durch Öffnen des Ventils, forciert, d. h. gesteigert.
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Daraus resultiert eine bedarfsgerechte Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel, wobei die Förderung des Kühlmittels auf dem Thermosiphon-Effekt beruht.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung des Lagergehäuses bzw. des Wellenlagers des Abgasturboladers optimiert ist.
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Das Ventil ist in der Verbindungsleitung angeordnet, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung der gesamte Leitungsabschnitt zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter als Verbindungsleitung bezeichnet wird und zwar unabhängig davon, ob die Leitung durch andere Bauteile bzw. Aggregate, wie beispielsweise den Zylinderkopf, den Zylinderblock oder das Lagergehäuse, hindurchführt.
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Bei Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine mündet.
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Bei der Aufladung einer Brennkraftmaschine mittels Abgasturbolader wird angestrebt, die mindestens eine Turbine möglichst nahe an den Auslaßöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Man ist daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
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Zielführend dabei ist, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen. Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, wird verkleinert, so dass sich das Ansprechverhalten der Turbine verbessert. Die verkürzten Abgasleitungen führen 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. Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
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Bei Brennkraftmaschine drei und mehr Zylindern sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- - mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen 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. Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verbindungsleitung als Steigleitung ausgebildet ist. Zur Nutzung bzw. Verbesserung des Thermosiphon-Effekts ist es vorteilhaft, die Verbindungsleitung zumindest stromaufwärts des Lagergehäuses als Steigleitung auszubilden, bei der die geodätische Höhe kontinuierlich zunimmt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stromaufwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stromabwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
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Im Gegensatz zu der vorstehenden Ausführungsform wird das erfindungsgemäß eingesetzte Thermostat-Ventil vorliegend mit im Lagergehäuse erwärmten Kühlmittel beaufschlagt. Dies ist vorteilhaft, da das Ventil nahezu verzögerungsfrei auf die Temperatur des Kühlmittels im Lagergehäuse reagieren kann und somit bei der Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes unmittelbar auf den momentanen Wärmehaushalt im Lagergehäuse abstellt.
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Bei einem stromaufwärts des Lagergehäuses angeordneten Ventil ergibt sich zwangsläufig eine zeitliche Verzögerung, die dadurch bedingt ist, dass das zwischen Ventil und Lagergehäuse in der Verbindungsleitung befindliche Kühlmittel zunächst mittels Wärmeleitung erwärmt werden muß, bevor das Ventil auf die im Gehäuse vorliegende Temperaturen durch Öffnen reagieren kann.
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Nichtsdestotrotz sind - wie bereits erwähnt - auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Ventil stromaufwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil in das Lagergehäuse integriert ist. Diese Ausführungsform gestattet eine verzögerungsfreie Reaktion auf die Temperaturen im Lagergehäuse. Zudem können Teile des Ventils, beispielweise das Ventilgehäuse, durch das Lagergehäuse mit ausgebildet werden. Daraus ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere eine kompakte Bauweise und eine Gewichtsersparnis.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil in die Brennkraftmaschine integriert ist. Es ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Packaging und des Gewichts, wie bereits im Zusammenhang mit der vorstehenden Ausführungsform beschrieben, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verbindungsleitung durch den Zylinderblock führt.
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In der Einbauposition ist der Zylinderblock in der Regel tief im Motorraum angeordnet, d. h. auf einer im Vergleich zur Turbine niedrigen geodätischen Höhe. Wenn die Verbindungsleitung dann stromaufwärts der Turbine durch den Zylinderblock führt, ist dies insbesondere im Hinblick auf die Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts und die Ausbildung der Verbindungsleitung als Steigleitung vorteilhaft. Bei dieser Konfiguration sind die Turbine und das zu kühlende Lagergehäuse geodätisch höher angeordnet als der Zylinderblock.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Verbindungsleitung durch den Zylinderkopf führt.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Turbine oberhalb des Zylinderblocks, auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der Montage-Stirnseite angeordnet ist, kann die Verbindungsleitung auch ausgehend vom Zylinderkopf zum Lagergehäuse der Turbine führen, ohne dass darauf verzichtet werden müßte, die Leitung als Steigleitung auszubilden.
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Diese Anordnung der Turbine oberhalb der Montage-Stirnseite ermöglicht das motornahe Plazieren auch großvolumiger Abgasnachbehandlungssysteme stromabwärts der Turbine-
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stufenlos verstellbar ist. Ein stufenlos verstellbares Ventil ermöglicht eine bedarfsgerechte Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel in sämtlichen Betriebszuständen, wobei durch Verstellen des Ventils in Richtung Schließstellung bzw. Offenstellung der momentanen Kühlmitteltemperatur entsprechend gefolgt werden kann.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil zweistufig schaltbar ist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil lediglich zwischen einer Schließstellung und Offenstellung geschaltet werden kann, d. h. nur zwei Schaltungszustände einnehmen kann. Im Vergleich zu der vorstehenden Ausführungsform ergeben sich Kostenvorteile.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil in der Schließstellung einen Leckagestrom aufweist. Dieser Leckagestrom verhindert zwar ein vollständiges Verschließen der Verbindungsleitung bei niedrigen Temperaturen, weshalb die Kühlmittelförderung nicht völlig unterbunden werden kann. Dennoch ist eine gewisse Leckage, d. h. Undichtigkeit, des Ventils vorteilhaft, um sicherzustellen, dass das im Ventil angeordnete Thermoelement, welches letztendlich den Öffnungsvorgang einleitet, ständig mit Kühlmittel beaufschlagt ist.
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Die mindestens eine Turbine kann als Radialturbine ausgeführt sein, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.
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Die mindestens eine Turbine kann aber auch als Axialturbine ausgeführt sein, bei der die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung.
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Die mindestens eine Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
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Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluß genommen werden kann.
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Grundsätzlich können zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch mehrere Turbolader eingesetzt werden, deren Turbinen bzw. Verdichter in Reihe bzw. parallel angeordnet sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine mitsamt den Kühlmittelströmen.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 1 mitsamt den Kühlmittelströmen (durch Pfeile kenntlich gemacht).
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Die Brennkraftmaschine 1 umfaßt einen Zylinderkopf 1a, der an einer Montage-Stirnseite 1c mit einem Zylinderblock 1b verbunden ist.
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Zur Ausbildung der Motorkühlung 2 ist eine Pumpe 2a stromaufwärts des Zylinderblocks 1b, unmittelbar benachbart zum Zylinderblock 1b vorgesehen, mit der Kühlmittel durch einen Kühlkreislauf 2 gefördert wird. Das Kühlmittel durchströmt dabei den Zylinderblock 1b und den Zylinderkopf 1a und wird stromabwärts via Wärmetauscher 2b wieder der Pumpe 2a zugeführt, wodurch der Kühlkreislauf 2 geschlossen wird. Der als Wärmetauscher 2b dienende Radiator 2b ist mit einem Entlüftungsbehälter 2c verbunden, von dem aus das Kühlmittel wieder dem Kühlkreislauf 2 zugeführt wird, indem es stromaufwärts der Pumpe 2a in den Kühlkreislauf 2 eingeleitet wird.
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Zur Aufladung der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 3 vorgesehen, der einen Verdichter und eine Turbine umfaßt, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Welle ist drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse 4 gelagert.
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Zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung 7 wird das Lagergehäuse 4 in den Kühlkreislauf 2 der Brennkraftmaschine 1 eingebunden, wozu zwischen der Pumpe 2a und dem Entlüftungsbehälter 2c eine Verbindungsleitung 5 vorgesehen wird.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform führt die Verbindungsleitung 5, in der das Lagergehäuse 4 angeordnet ist, durch den Zylinderblock 1b. Stromabwärts des Lagergehäuses 4 ist in der Verbindungsleitung 5 ein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur selbsttätig steuerndes Ventil 6 angeordnet, welches der Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes dient.
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Bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen wird die Kühlmittelförderung durch das Lagergehäuse 4 durch Schließen des Ventils 6 unterbunden bzw. minimiert. Das Ventil 6 befindet sich bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen in der Schließstellung. Einer Anreicherung des Kühlmittels mit Luft bei Durchströmen des Entlüftungsbehälters 2c wird dadurch entgegen gewirkt.
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Das Ventil 6 gibt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur einen mehr oder weniger großen Strömungsquerschnitt der Verbindungsleitung 5 frei und steigert damit die Kühlmittelförderung bzw. die Kühlung des Gehäuses 4 mit zunehmender Kühlmitteltemperatur. Eine bedarfsgerechte Versorgung des Lagergehäuses 4 mit Kühlmittel ist das Resultat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 1a
- Zylinderkopf
- 1b
- Zylinderblock
- 1c
- Montage-Stirnseite
- 2
- Motorkühlung, Kühlkreislauf
- 2a
- Pumpe
- 2b
- Wärmetauscher, Radiator
- 2c
- Entlüftungsbehältnis
- 3
- Abgasturbolader
- 4
- Lagergehäuse
- 5
- Verbindungsleitung
- 6
- Ventil
- 7
- Flüssigkeitskühlung
