DE102011077216A1

DE102011077216A1 - Verbrennungsmotorzylinderkopf mit integraler abgasführung und integralem turboladergehäuse

Info

Publication number: DE102011077216A1
Application number: DE102011077216A
Authority: DE
Inventors: Robert Andrew Wade; Todd Jay Brewer; Jonathan Patrick Jeffries
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CN202300684U; US20110173972A1; RU109500U1

Abstract

Ein Verbrennungsmotorzylinderkopf basiert auf einer einstückigen Struktur, die mehrere Abgaskrümmerrohre, einen Abgaskrümmer und ein Turboladerabgasturbinengehäuse enthält, die alle als ein Stück ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotorzylinderkopf, der als eine einstückige Struktur mit einer integralen Abgasführung und einem integralen Abgasturbinengehäuse für einen Turbolader konfiguriert ist.
HINTERGRUND
Turboaufladung hat im Kraftfahrzeugwesen zunehmend an Bedeutung gewonnen, da durch Turboaufladung die spezifische Leistung von Motoren erhöht werden kann, ohne Gewicht und Packungsvolumen merklich zu erhöhen. Ein wichtiges Turboladerleistungsmerkmal kann erreicht werden, wenn ein gegebener Turbolader so klein wie praktisch durchführbar ist, wodurch gewährleistet wird, dass der Turbolader sofort auf Zunahme der Motorlast reagiert. Natürlich ist Minimierung der Turboladersystemkosten ein weiterer Maßstab des Erfolgs. Bekannte Turboladersysteme verwenden getrennte Komponenten für den Zylinderkopf, den Abgaskrümmer und das Turboladerabgasturbinengehäuse, und diese herkömmliche Praxis erhöht die Kosten, das Gewicht, das Systempackungsvolumen und die Reaktionszeit des Turboladers.
Es wäre wünschenswert, einen Verbrennungsmotorzylinderkopf bereitzustellen, der als eine einstückige Struktur, wie zum Beispiel ein Gussteil, konfiguriert ist und eine integrale Abgasführung und ein integrales Abgasturbinengehäuse für einen Turbolader enthält.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verbrennungsmotor mehrere Arbeitszylinder und einen an den Arbeitszylindern befestigten Zylinderkopf. Der Zylinderkopf ist als eine einstückige Basisstruktur konfiguriert, die (1) mehrere Abgaskrümmerrohre, welche Abgase von den Arbeitszylindern wegleiten; (2) einen Abgaskrümmer, der durch die Abgaskrümmerrohre strömende Abgase vereinigt; (3) ein Wastegate und einen Abgasauslass; und (4) ein integrales Turboladerturbinengehäuse, das sich durch eine Wand des Abgaskrümmers hindurch erstreckt, enthält. Mit anderen Worten, die heiße Seite des Turboladers ist einstückig mit den verbleibenden Teilen des Zylinderkopfs ausgebildet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verbrennungsmotor weiterhin eine Abgasturbine, die in einem integralen Turbinengehäuse angeordnet ist, und einen Ladeluftverdichter, der mit der Abgasturbine auf einer gemeinsamen rotierenden Welle verbunden ist.
Ein Vorteil eines Zylinderkopfsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass wertvoller Platz in dem beengten Raum eines Motorraums, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gespart wird.
Ein weiterer Vorteil eines Zylinderkopfsystems gemäß der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass aufgrund der engen Verbindung, die durch das vorliegende System zwischen den Zylindern des Motors und der Abgasturbine bereitgestellt wird, Abgasenergie gespart wird. Diese enge Verbindung reduziert des Weiteren die Reaktionszeit des Turboladers.
Noch ein weiterer Vorteil des vorliegenden Zylinderkopfsystems besteht darin, dass die Kosten eines turboaufgeladenen Motors verringert werden, da ein getrennter Abgaskrümmer und ein getrenntes Turbinengehäuse, die zusätzliche Dichtungen und Befestigungselemente enthalten, nicht mehr erforderlich sind.
Weitere Vorteile sowie Merkmale des vorliegenden Systems werden für den Leser dieser Beschreibung offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise schematische perspektivische Ansicht eines Motors mit einem Zylinderkopfsystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des in 1 gezeigten Motors.
3 ist ein Teilschnitt eines Motors, der ein Turboladerabgasturbinengehäuse gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung zeigt.
4 ist eine Draufsicht eines Turbinengehäuseteils eines Zylinderkopfs gemäß der vorliegenden Offenbarung, die einen Kühlmittelkanal mit Besonderheiten zeigt.
5 zeigt einen Turbolader, der mit seiner Mittelachse parallel zu einer in Längsrichtung verlaufenden Mittellinie eines Motors angebracht ist.
6 ist eine Schnittansicht des Turboladers und Zylinderkopfs von 5.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines Paars Turbolader, die im V-Raum-Bereich eines V-Block-Motors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung angebracht sind.
8 ist ähnlich wie 7, zeigt aber eine andere Turboladerausrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in 1 gezeigt, weist der Motor 10 einen Zylinderblock 14 mit mehreren Arbeitszylindern 18 auf, in denen Kolben 16 aufgenommen sind. Angesichts dieser Offenbarung liegt für den Fachmann auf der Hand, dass ein Motor mit einer anderen Anzahl von Zylindern einen Zylinderkopf und ein Turboladersystem gemäß der vorliegenden Offenbarung einsetzen könnte. Des Weiteren ist das vorliegende Zylinderkopfsystem gleichermaßen sowohl mit V-Block- als auch mit Reihen-Motoren sowie liegenden oder Boxermotoren nützlich.
Des Weiteren zeigt 1 einen Zylinderkopf 22, der mehrere Konstruktionsmerkmale in einer einzigen gegossenen oder maschinell herausgearbeiteten Struktur enthält. Insbesondere zeigt 1 die heiße Seite 28 des Turboladers, die auch in den 2, 3 und 4 gezeigt wird. Ein Abgasturbinengehäuse 30, das in den 2, 3 und 4 gezeigt wird, ist in der heißen Seiten 28 positioniert und ist nicht nur einstückig mit dem Abgaskrümmer 42 (3), sondern auch mit mehreren Abgaskrümmerrohren 38 (2), die Abgase von den Arbeitszylindern 18 wegleiten.
Die Abgaskrümmerrohre 38 lassen in einen Abgaskrümmer 42 (3) ab, der die Abgase vereinigt und sie der Abgasturbine 54 des Turboladers zuführt. Wie in 2 gezeigt, wird Druck im Abgaskrümmer 42 durch ein Wastegate-Ventil 34 gesteuert. Abgas tritt durch den Abgasauslas 41 (2) aus, welcher Abgase von dem Turbinengehäuse des Turboladers zu einem Außenteil des Zylinderkopfs 22 fährt. Mit anderen Worten, ein Auslasssystem würde am Abgasauslass 41 am Zylinderkopf 22 befestigt sein. Somit enthält der Zylinderkopf 22 zwei zusätzliche Elemente – ein Wastegate und einen Turboladerabgasauslass, die in bekannten Zylinderköpfen nicht enthalten sind.
Der Abgaskrümmer 42 weist eine Außenwand 44 mit einem darin ausgebildeten Turbinengehäuse 30 auf. Somit ist das Turbinengehäuse 30 einstückig mit dem Abgaskrümmer 42 sowie mit den Abgaskrümmerrohren 38 und Zylinderverschlussteilen 24 des Zylinderkopfs 22 (1) ausgebildet. Des Weiteren zeigt 3 eine nach vorne weisende Axialabgasturbine 54, die auf einer gemeinsamen rotierenden Welle 58 mit einem Ladeluftverdichter 62 verbunden ist.
4 zeigt einen Kühlmittelkanal 46, der sich um den Umfang des Turbinengehäuses 30 erstreckt. In den meisten Fällen wird Motorkühlmittel durch den Kanal 46 zirkuliert, um das Gehäuse 30 auf einer akzeptablen Temperatur zu halten. Der Kühlmittelkanal 46 ist der Schlüssel für eine effektive Verwaltung von durch den heißen Abschnitt 28 strömender Wärme, so dass der heiße Abschnitt einstückig mit dem verbleibenden Teil des Zylinderkopfs sein kann. Der Kanal 46 ist mit mindestens einem anderen Kühlkanal verbunden, der sich in dem Zylinderkopf 22 erstreckt. 4 zeigt Kühlmittelkanäle 47 und 51, die mit dem Kanal 46 in Verbindung stehen.
Angesichts der vorliegenden Offenbarung liegt für den Fachmann auf der Hand, dass der Zylinderkopf 22, der die Abgaskrümmerrohre 38, den Abgaskrümmer 42 und das Turbinengehäuse 30 sowie die herkömmlicheren Zylinderkopfstrukturelemente des Zylinderkopfs 22 enthält, entweder aus einem metallischen oder nicht metallischen Verbundgussstück, wie zum Beispiel aus Aluminium- oder Eisenmaterial, konfiguriert sein oder zumindest teilweise aus einem Knüppel maschinell herausgearbeitet werden können. In beiden Fällen resultieren die Vorteile des vorliegenden Systems aus der einstückigen Konfiguration des Zylinderkopfs, einschließlich aller Auslassrohrleitungen und der heißen Seite 28 des Turboladergehäuses.
5 zeigt eine heiße Seite 103 des Turboladers, die einstückig mit einem Zylinderkopf 102 verbunden ist und Abgaskrümmerrohre 104 enthält. Der Turbolader 100, der die heiße Seite 103 enthält, weist eine Mittellinie A auf, die parallel zu einer Motormittellinie C_L verläuft. 6 zeigt innere Komponenten des Turboladers 100, wie zum Beispiel die Abgasturbine 112, die in der heißen Seite 103 angeordnet ist, und das Verdichterrad 108.
7 und 8 zeigen zwei V-Motorkonfigurationen eines Systems gemäß der vorliegenden Offenbarung, bei denen zwei Turbolader in dem durch den V-Block und Zylinderköpfe definierten V-Raum angebracht sind. 7 zeigt einen V-Block 150 und zwei Turbolader 158 und 162, die eine heiße Seite 159 bzw. 161 aufweisen, welche einstückig mit den Abgaskrümmerrohren 154 sowie den verbleibenden Teilen der Zylinderköpfe (nicht gezeigt) ausgebildet sind. Die Turbolader 158 und 162 weisen Mittellinien auf (eine bei A₁ gezeigt), die senkrecht zur Mittellinie C_L des Zylinderblocks 150 verlaufen. Bei der Ausführungsform von 8, die auch eine einstückige Konfiguration aufweist, sind die heißen Abschnitte 184 und 188 des Turboladers jedoch einstückig mit jeweiligen Zylinderköpfen 180 ausgebildet, und die Mittelachsen, wie bei A₂ und A₂ gezeigt, verlaufen parallel zur Mittellinie C_L des Motors.
Das vorhergehende System wurde in Übereinstimmung mit den relevanten Rechtsnormen beschrieben; daher hat die Beschreibung Beispielcharakter und stellt keine Einschränkung dar. Varianten und Modifizierungen der offenbarten Ausführungsformen dürften für den Fachmann offensichtlich werden und fallen in den Schutzumfang der Offenbarung. Demzufolge kann der Umfang des geleisteten gesetzlichen Schutzes nur durch die eingehende Betrachtung der nachfolgenden Ansprüche bestimmt werden.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor, der mehrere Arbeitszylinder; sowie einen an den Arbeitszylindern befestigten Zylinderkopf umfasst, wobei der Zylinderkopf als eine einstückige Basisstruktur konfiguriert ist, die mehrere Abgaskrümmerrohre, die Abgase von den Arbeitszylindern wegleiten und wobei ein Abgaskrümmer, der durch die mehreren Abgaskrümmerrohre strömende Abgase vereinigt und ein integrales Turbinengehäuse aufweist, das sich durch eine Wand des Abgaskrümmers erstreckt.
Bevorzugt weist der Zylinderkopf weiterhin eine Abgasturbine auf, die in dem integralen Turbinengehäuse drehbar angebracht ist, sowie ferner ein Verdichtergehäuse, das an dem integralen Turbinengehäuse befestigt ist, und einen Ladeluftverdichter, der in dem Verdichtergehäuse angeordnet ist, wobei der Ladeluftverdichter auf einer gemeinsamen rotierenden Welle mit der Abgasturbine verbunden ist.
Bevorzugt ist die die Abgasturbine eine nach vorne weisende Axialturbine.
Erfindungsgemäß ist der Zylinderkopf als einstückige Basisstruktur in einem Gussteil aus Metall gebildet.
Weiter bevorzugt umfasst der Zylinderkopf für einen Mehrzylinderverbrennungsmotor eine einstückige Struktur, die einen Zylinderverschlussteil, der die oberen Enden mehrerer Arbeitszylinder umschließt und mehrere Abgaskrümmerrohre, die sich von dem Zylinderverschlussteil erstrecken, wobei die Abgaskrümmerrohre Abgase von den Arbeitszylindern wegleiten und wobei ein Abgaskrümmer, der durch die mehreren Abgaskrümmerrohre strömende Abgase vereinigt und ein integrales Turboladerturbinengehäuse, das in einer Wand des Abgaskrümmers ausgebildet ist, wobei sich das integrale Turboladerturbinengehäuse durch eine Wand des Abgaskrümmers erstreckt; und wobei ein Turboladerabgasauslass, der dazu konfiguriert ist, aus dem Turbinengehäuse strömende Abgase zu einem Außenteil des Zylinderkopfs zu leiten.
Bevorzugt ist der Zylinderkopf an einem V-Block-Motor angebracht, wobei das Turboladerturbinengehäuse so konfiguriert ist, dass die Mittelachse eines Turboladers, der das Turbinengehäuse enthält, senkrecht zur Mittellinie des Motors verläuft und der Turbolader im V-Raum-Bereich des Motors angeordnet ist.
Alternative bevorzugt ist der Zylinderkopf an einem V-Block-Motor angeordnet, wobei das Turboladerturbinengehäuse so konfiguriert ist, dass die Mittelachse eines Turboladers, der das Turbinengehäuse enthält, parallel zur Mittellinie des Motors verläuft und der Turbolader im V-Raum-Bereich des Motors angeordnet ist

Claims

Verbrennungsmotor, der: mehrere Arbeitszylinder; einen an den Arbeitszylindern befestigten Zylinderkopf umfasst, wobei der Zylinderkopf: mehrere Abgaskrümmerrohre, die Abgase von den Arbeitszylindern wegleiten; einen Abgaskrümmer, der durch die mehreren Abgaskrümmerrohre strömende Abgase vereinigt; und ein integrales Turboladerturbinengehäuse, das sich durch eine Wand des Abgaskrümmers erstreckt, umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, der weiterhin eine Abgasturbine umfasst, die in dem integralen Turboladerturbinengehäuse angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Zylinderkopf weiterhin: eine Abgasturbine, die in dem integralen Turbinengehäuse angeordnet ist; und einen Ladeluftverdichter, der auf einer gemeinsamen rotierenden Welle mit der Abgasturbine verbunden ist, umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Zylinderkopf weiterhin ein Wastegate umfasst, das in dem Zylinderkopf angeordnet ist und den Abgasdruck in dem Abgaskrümmer steuert.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Zylinderkopf weiterhin einen Flüssigkeitskühlmittelkanal umfasst, der sich um einen Außenumfang des Turbinengehäuses erstreckt, wobei der Flüssigkeitskühlmittelkanal mit mindestens einem anderen im Zylinderkopf angeordneten Kühlkanal verbunden ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Zylinderkopf als eine einstückige Struktur konfiguriert ist, die die Abgaskrümmerrohre, den Abgaskrümmer und das Turboladerturbinengehäuse umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die einstückige Struktur ein Gussteil aus Metall umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei das Gussteil aus Metall ein Aluminiumgussteil umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei das Gussteil aus Metall ein Eisengussteil umfasst.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Abgasturbine eine nach vorne weisende Axialturbine umfasst.