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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Motorsystem und insbesondere auf einen Verbrennungsmotor mit Turbolader.
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Es ist gut bekannt, einen Verbrennungsmotor mit einem Turbolader zu versehen, um seine Leistungsabgabe zu verbessern und Emissionen zu verringern. Solche Turbolader enthalten häufig ein Ladedruckregelventil, das dazu verwendet wird, die Strömung von Abgas in einem parallel zu einer Turbine des Turboladers angeordneten Bypass zu regeln, um ein Mittel bereitzustellen, um ein Überdrehen des Turboladers zu verhindern, wenn die Abgasströmung von dem Motor für den Turbolader zu hoch ist.
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Solche kombinierten Turbolader- und Ladedruckregelventilanordnungen weisen eine große Größe und eine komplizierte Konstruktion auf und müssen aus einem verhältnismäßig teuren wärmebeständigen Material wie etwa rostfreiem Stahl hergestellt werden, um die hohen Temperaturen auszuhalten, die ihnen durch die durch sie strömenden Abgase auferlegt werden.
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Außerdem ist die Wärmestrahlung von einem großen Gegenstand wie etwa einer kombinierten Turbolader- und Ladedruckregelventilanordnung beträchtlich, sodass dies eine unerwünschte Erwärmung anderer Komponenten in einem Motorraum wie etwa elektronischer Steuereinheiten oder aus Kunststoffen hergestellter Verbundwerkstoffe erzeugen kann. Dies ist ein besonderes Problem bei modernen Personenkraftwagen, bei denen der Motorraum sehr begrenzt ist.
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Ferner ist z. B. aus
US 6,976,359 bekannt, das Ladedruckregelventil in einem getrennten Gehäuse fern von dem Turbolader anzubringen, was den Vorteil hat, dass die Größe und die Kompliziertheit des Turboladers verringert sind und dass die Strahlung von dem Turbolader wegen der Tatsache, dass nicht alles Abgas jederzeit durch den Turbolader geht, wahrscheinlich geringer ist. Wegen der Notwendigkeit, sowohl das Turboladergehäuse als auch das Ladedruckregelventil-Gehäuse aus hochtemperaturbeständigen Materialien herzustellen, ist die Strahlung von einem solchen Turbolader dennoch beträchtlich und sind die Herstellungskosten verhältnismäßig hoch.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Motorsystem mit einem Turbolader zu schaffen, das auf kostengünstigere Weise hergestellt ist.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Motorsystem geschaffen, das einen Verbrennungsmotor, einen Turbolader, der zum Empfang von Abgas von dem Motor angeordnet ist, und ein externes Ladedruckregelventil, das zum Regeln einer Bypassabgasströmung über den Turbolader verwendet wird, umfasst, wobei der Turbolader ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse aufweist und wobei sich das Ladedruckregelventil gegenüber dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse in einem getrennten nicht flüssigkeitsgekühlten Gehäuse befindet.
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Der Turbolader kann eine Turbine aufweisen, die sich in dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse befindet, wobei die Turbine so angeordnet ist, dass sie das Abgas von dem Motor empfängt.
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Das Ladedruckregelventil-Gehäuse kann ein nicht flüssigkeitsgekühltes Gehäuse sein.
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Das Ladedruckregelventil kann die Strömung von Abgas über einen Bypass, der von einer Stelle auf der Einlassseite der Turbine zu einer Stelle auf der Auslassseite der Turbine verläuft, regeln.
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Das einlassseitige Ende des Bypasses kann mit dem Turbinengehäuse auf der Einlassseite der Turbine verbunden sein.
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Alternativ ist das einlassseitige Ende des Bypasses direkt mit dem Motor verbunden.
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Der Motor kann einen primären Abgasauslass, der so angeordnet ist, dass Abgas direkt in die Turbine strömt, und einen sekundären Abgasauslass, der so angeordnet ist, dass Abgas zu dem einlassseitigen Ende des Bypasses strömt, aufweisen.
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Der primäre und der sekundäre Abgasauslass können als Teil eines Abgaskrümmers des Motors gebildet sein.
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Der Abgaskrümmer kann ein flüssigkeitsgekühlter Abgaskrümmer sein, der an einem Zylinderkopf befestigt ist.
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Der flüssigkeitsgekühlte Abgaskrümmer kann als ein integraler Bestandteil des Zylinderkopfs des Motors gebildet sein.
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Das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse kann aus einem Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt sein.
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Der Zylinderkopf und der flüssigkeitsgekühlte Abgaskrümmer können im Wesentlichen aus derselben Aluminiumlegierung wie das Turbinengehäuse hergestellt sein.
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Das Motorsystem kann ferner einen primären Flüssigkeitskühlkreislauf zum Bereitstellen von flüssigem Kühlmittel für den Motor umfassen, wobei das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse eine Zufuhr von flüssigem Kühlmittel von dem primären Flüssigkeitskühlkreislauf empfängt.
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Das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse kann über komplementäre Anschlüsse an dem Motor und an dem Turbinengehäuse eine direkte Zufuhr von flüssigem Kühlmittel von dem Motor empfangen.
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Das Motorsystem kann ferner einen primären Flüssigkeitskühlkreislauf zum Bereitstellen von flüssigem Kühlmittel für den Motor und ein sekundäres Flüssigkeitskühlsystem zum Bereitstellen von flüssigem Kühlmittel zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse umfassen.
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Das sekundäre Flüssigkeitskühlsystem kann einem Motorölkühler und/oder einem Flüssigkeit-zu-Luft-Ladeluftkühler ebenfalls flüssiges Kühlmittel zuführen.
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In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Motor mit einem Zylinderkopf und mit einem Abgaskrümmer mit einem primären Abgasauslass und mit einem sekundären Abgasauslass geschaffen, wobei der primäre Abgasauslass Abgas zu einer Turboladerturbine zuführt und der sekundäre Abgasauslass Abgas zu einem durch das Ladedruckregelventil geregelten Turboladerbypass zuführt.
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Der Abgaskrümmer kann ein flüssigkeitsgekühlter Krümmer sein.
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Der flüssigkeitsgekühlte Abgaskrümmer kann als ein integraler Bestandteil des Zylinderkopfs gebildet sein.
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In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Senken der Herstellungskosten eines Motorsystems, das einen Motor, einen Turbolader mit einer Turbine und ein Ladedruckregelventil umfasst, geschaffen, wobei das Verfahren das Verwenden getrennter Gehäuse für die Turbine und für das Ladedruckregelventil, das Flüssigkeitskühlen des Turbinengehäuses und das Herstellen des Turbinengehäuses aus einer Aluminiumlegierung umfasst.
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Der Motor kann einen Aluminiumlegierungs-Zylinderkopf und einen flüssigkeitsgekühlten Aluminiumlegierungs-Abgaskrümmer aufweisen und das Verfahren kann ferner das Herstellen des Zylinderkopfs, des flüssigkeitsgekühlten Abgaskrümmers und des Turbinengehäuses im Wesentlichen aus derselben Aluminiumlegierung umfassen.
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Der Motor kann einen kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf aufweisen, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, und das Verfahren kann ferner das Herstellen des kombinierten Abgaskrümmers und Zylinderkopfs und des Turbinengehäuses im Wesentlichen aus derselben Aluminiumlegierung umfassen.
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Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der folgenden Zeichnung beschrieben, von der:
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1 eine schematische Zeichnung eines Teils eines Motorsystems in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 ein schematisches Diagramm eines Teils eines Motorsystems in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform eines Flüssigkeitskühlkreislaufs ist, der einen Teil des in 1 und 2 gezeigten Motorsystems bildet;
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4 ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform eines Flüssigkeitskühlkreislaufs ist, der einen Teil des in 1 und 2 gezeigten Motorsystems bildet;
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5 ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform eines Flüssigkeitskühlkreislaufs ist, der einen Teil des in 1 und 2 gezeigten Motorsystems bildet;
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6 eine schematische Zeichnung eines Teils eines Motorsystems in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist;
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7 eine bildliche Ansicht eines kombinierten Zylinderkopf- und Abgaskrümmer-Bildungsteils des in 6 gezeigten Motorsystems ist;
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8 eine schematische Zeichnung eines Teils eines Motorsystems in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist;
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9 eine bildliche Ansicht eines kombinierten Zylinderkopf- und Abgaskrümmer-Bildungsteils des in 8 gezeigten Motorsystems ist.
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Besonders anhand von 1 ist ein Teil eines Motorsystems 5 gezeigt. Das Motorsystem 5 enthält einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Zylinderblock (nicht gezeigt), einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 11, einen flüssigkeitsgekühlten Abgaskrümmer 14, einen Turbolader 20 und ein Ladedruckregelventil 30.
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Der Turbolader 20 umfasst ein Kompressorgehäuse 21, das einen Kompressor 23 aufnimmt, ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 22, das eine Turbine 24 aufnimmt, eine Antriebswelle 25, die den Kompressor 23 mit der Turbine 24 verbindet, und Traglager 26, die zum Stützen der Antriebswelle 25 verwendet sind. Es wird gewürdigt werden, dass das Kompressorgehäuse 21 und das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 als Teil eines einzelnen Gehäuses gebildet sein könnten oder als getrennte Gehäuse, die aneinander befestigt sind, gebildet sein könnten. Auf jeden Fall ist wenigstens für das Turbinengehäuse 22 eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, um es zu kühlen und um die Verwendung eines weniger temperaturbeständigen Materials zu ermöglichen, als es andernfalls erforderlich wäre, falls keine Kühlung vorgesehen wäre. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 aus einem Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, das im Vergleich zu einem herkömmlichen hochtemperaturbeständigen Gehäuse verhältnismäßig preiswert ist und preiswert hergestellt werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Zylinderkopf 11, der Abgaskrümmer 14 und das Turbinengehäuse 22 alle im Wesentlichen aus demselben Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, um thermische Belastungen zwischen den verschiedenen Komponenten zu minimieren.
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Luft tritt in den Motor 10 durch eine Anzahl von Einlassschlitzen 12 ein und verlässt dem Motor 10 über eine Anzahl von Auslassschlitzen 13, die mit einem in dem flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 gebildeten Abgas-Strömungsdurchlass 15 zusammenwirken. Der flüssigkeitsgekühlte Krümmer 14 weist einen primären Abgasauslass 16 auf, der mit dem Turbolader 20 in Verbindung steht, sodass Abgase von dem Abgas-Strömungsdurchlass 15 in den Turbolader 20 oder genauer in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 strömen können, um die Turbine 24 zu drehen. Es wird gewürdigt werden, dass die Drehung der Turbine 24 eine entsprechende Drehung des Kompressors 23 erzeugt und dass diese Drehung des Kompressors 23 über ein herkömmliches Lufteinlasssystem (nicht gezeigt) Luft mit erhöhtem Druck zu den Einlassschlitzen 12 zuführt.
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Das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 definiert nicht nur eine Arbeitskammer für die Turbine 24, sondern auch einen sekundären Abgaszufuhrdurchlass, mit dem ein erstes Ende eines Bypasses 31 verbunden ist. Ein zweites Ende des Bypasses 31 ist mit einem Auspuffrohr 18 verbunden, das zum Strömen von Abgas von der Turbine 24 in die Atmosphäre verwendet wird. Es wird gewürdigt werden, dass die Strömung von Abgas in die Atmosphäre normalerweise über verschiedene Abgasemissions-Behandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) erfolgt. Somit ist das erste Ende des Bypasses 31 auf der Einlassseite der Turbine 24 verbunden und ist sein zweites Ende auf der Auslassseite der Turbine 24 verbunden, um einen Abgasströmungsweg bereitzustellen, der parallel zu dem über die Turbine 24 ist.
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Die Abgasströmung durch den Bypass 31 wird durch das Ladedruckregelventil 30 geregelt, das gegenüber dem bzw. den für den Turbolader 20 verwendeten Gehäuse oder Gehäusen ein getrenntes Gehäuse 30a aufweist. Die Konstruktion des Ladedruckregelventils 30 kann von irgendeinem bekannten Typ sein und ist zum wahlweisen Regeln der Strömung von Abgas durch den Bypass 31 vorgesehen, um ein Überdrehen des Turboladers 20 zu verhindern, wenn die Abgasströmung von dem Motor 10 höher ist, als durch die Turbine 24 aufgenommen werden kann, um den durch den Kompressor 23 des Turboladers 20 erzeugten Ausgangsdruck zu regeln, oder das während Teillastbedingungen, die der vorherrschende Betriebszustand für viele Motoren sind, geöffnet wird, um den Gegendruck zu verringern und dadurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Es wird gewürdigt werden, dass das Ladedruckregelventil-Gehäuse 30a eine sehr einfache Konstruktion aufweisen kann und verhältnismäßig kompakt ist, und dass die Herstellungskosten immer noch verhältnismäßig niedrig sind, obgleich ein Material verwendet werden muss, das die Temperatur des Abgases aufnehmen kann. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform weist das Ladedruckregelventil-Gehäuse 30a z. B. die Form eines Rohrs aus rostfreiem Stahl mit Flanschen an den gegenüberliegenden Enden auf. Alternativ könnte das Ladedruckregelventil-Gehäuse als ein integraler Bestandteil des Bypasses gebildet sein.
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Somit geht, wenn das Ladedruckregelventil 30 geschlossen ist, alles Abgas, das aus dem Motor 10 austritt, durch die Turbine 24, während, während das Ladedruckregelventil 30 geöffnet ist, weniger Abgas über die Turbine 24 strömt, bis, wenn das Ladedruckregelventil 30 vollständig offen ist, ein wesentlicher Prozentsatz des Abgases, das den Motor 10 verlässt, die Turbine 24 umgeht und über den Bypass 31 direkt zu dem Auspuffrohr 18 strömt.
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Zum Beispiel erfolgt bei maximaler Abgasströmung von dem Motor, wenn das Ladedruckregelventil vollständig offen ist, näherungsweise ein Drittel der Gesamtabgasströmung über den Bypass 31.
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Somit wird im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung, bei der der Bypass als Teil des Turboladers gebildet ist, weniger Wärme von dem Abgas an das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 übertragen.
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Wie oben erwähnt wurde, ist das Turbinengehäuse 22 flüssigkeitsgekühlt und enthält Kühlmittelströmungsdurchlässe (nicht gezeigt), durch die flüssiges Kühlmittel wie etwa z. B. und ohne Beschränkung ein Wasser/Glykol-Gemisch strömen kann. 3 bis 5 zeigen drei alternative Flüssigkeitskühlkreisläufe, die einen Teil des Motorsystems 5 bilden.
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In einer ersten Ausführungsform eines in 3 gezeigten Kühlkreislaufs wird Kühlmittel durch eine Kühlmittelpumpe 2 von einem Kühler 1 über einen oberen Schlauch TL und einen Zufuhrschlauch SL zu dem Motor 10 und in diesem Fall zu dem Zylinderkopf 11 umgewälzt (es wird gewürdigt werden, dass der Zufuhrschlauch SL alternativ mit einem Zylinderblock (nicht gezeigt) des Motors 10 verbunden sein könnte). Das Kühlmittel von dem Zufuhrschlauch SL strömt durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf 11 und den flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 und direkt von dem flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 in das Turboladergehäuse 22. Daraufhin strömt das Kühlmittel durch die Kühlmitteldurchlässe in dem Turbinengehäuse 22 und über einen Rücklaufschlauch RL aus dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 zu dem Kühler 1. (Es wird gewürdigt werden, dass es eine getrennte Rückführung von einem Zylinderblock des Motors 10 über den Rücklaufschlauch RL geben kann.) Wie es in einem solchen Kühlkreislauf üblich ist, verbindet eine Kühlmittelumgehungsleitung BL, die durch ein kombiniertes Umgehungs- und Thermostatventil 3 gebildet ist, den Rücklaufschlauch RL und den oberen Schlauch TL, um einen Kühlmittelströmungsweg bereitzustellen, der parallel zu dem Kühler 1 angeordnet ist.
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In einer in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform eines Kühlkreislaufs wird Kühlmittel durch eine Kühlmittelpumpe 2 von einem Kühler 1 über einen oberen Schlauch TL und einen Zufuhrschlauch SL zu dem Motor 10 und in diesem Fall zu dem Zylinderkopf 11 umgewälzt (es wird gewürdigt werden, dass der Zufuhrschlauch alternativ mit einem Zylinderblock (nicht gezeigt) des Motors 10 verbunden sein könnte). Das Kühlmittel von dem Zufuhrschlauch SL strömt durch den Zylinderblock, durch den Zylinderkopf 11 und durch den flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 und aus dem flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 in einen Rücklaufschlauch RL zu dem Kühler 1. (Es wird gewürdigt werden, dass es einen getrennten Rücklauf von dem Zylinderblock des Motors 10 über den Rücklaufschlauch RL geben kann.)
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Wie es in einem solchen Kühlkreislauf üblich ist, verbindet eine Kühlmittelumgehungsleitung BL, die durch ein kombiniertes Umgehungs- und Thermostatventil 3 gesteuert wird, den Rücklaufschlauch RL und den oberen Schlauch TL, um einen parallel zu dem Kühler 1 angeordneten Kühlmittelströmungsweg bereitzustellen.
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In diesem Fall wird das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 durch einen sekundären Kühlkreislauf mit einer Pumpe 7 und mit einem Kühler 8 gekühlt. Die Pumpe 7 führt dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 über einen Turbinengehäuseeinlassschlauch TI Kühlmittel zu und Kühlmittel strömt von dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 über einen Turbinenauslassschlauch TO zu dem Kühler 8. Es wird gewürdigt werden, dass der sekundäre Kühlkreislauf allein zum Kühlen des flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses 22 vorgesehen sein könnte oder wie etwa z. B. ein Motorölkühler und/oder ein Flüssigkeit-zu-Luft-Ladeluftkühler zum Kühlen einer oder mehrerer anderer Motorsystemkomponenten verwendet werden könnte.
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In einer in 5 gezeigten dritten Ausführungsform eines Kühlkreislaufs wird Kühlmittel durch eine Kühlmittelpumpe 2 von einem Kühler 1 über einen oberen Schlauch TL und einen Zufuhrschlauch SL zu dem Motor 10 und in diesem Fall zu dem Zylinderkopf 11 umgewälzt (wobei gewürdigt werden wird, dass der Zufuhrschlauch alternativ mit einem Zylinderblock (nicht gezeigt) des Motors 10 verbunden sein könnte). Das Kühlmittel von dem Zufuhrschlauch SL strömt durch den Zylinderblock, durch den Zylinderkopf 11 und durch den flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 und von dem flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 in einen Rücklaufschlauch RL zu dem Kühler 1. (Es wird gewürdigt werden, dass es eine getrennte Rückleitung von einem Zylinderblock des Motors 10 über den Rücklaufschlauch RL geben kann.)
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Wie es in einem solchen Kühlkreislauf üblich ist, verbindet eine Kühlmittelumgehungsleitung BL, die durch ein kombiniertes Umgehungs- und Thermostatventil 3 gesteuert wird, den Rücklaufschlauch RL und den oberen Schlauch TL, um einen parallel zu dem Kühler 1 angeordneten Kühlmittelströmungsweg bereitzustellen.
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In diesem Fall wird das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 durch eine Zufuhr von Kühlmittel gekühlt, das aus dem Hauptkühlkreislauf von einer zwischen der Pumpe 2 und dem Motor 10 befindlichen Stelle angesaugt wird, sodass eine kühlere Zufuhr von Kühlmittel vorgesehen ist, als es bei der in 3 gezeigten Anordnung der Fall wäre. Ein Turbinenzufuhrschlauch TS ist dafür verwendet, das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 mit dem Zufuhrschlauch SL zu verbinden, durch den Kühlmittel zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 strömt, wobei das Kühlmittel über einen Turbinenrücklaufschlauch TR, der mit dem Rücklaufschlauch RL von dem Motor 10 verbunden ist, in den Hauptkühlmittelkreis zurückgeführt wird.
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Es wird gewürdigt werden, dass die 3 bis 5 drei vereinfachte Beispiele für Kühlanordnungen für das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse zeigen und dass die Erfindung nicht auf eine solche Kühlmittelanordnung beschränkt ist.
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Somit wird die Größe des flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses 22 durch Trennen des Ladedruckregelventil-Gehäuses 30a von dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 und durch Wasserkühlung des flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuses 22 beträchtlich verringert, wodurch der Oberflächeninhalt, von dem Wärme abstrahlen kann, verringert wird. Außerdem weisen die Turboladergehäuse 21 und 22 eine weniger komplizierte Konstruktion auf und können aus einem preiswerteren Material wie etwa einer Aluminiumlegierung hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Da das normalerweise sehr heiße flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 auf eine wesentlich niedrigere Temperatur gekühlt wird, verringert dies darüber hinaus die Wärmestrahlung von dem Turbolader 20 weiter.
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Ein wesentlicher Vorteil der Trennung des Ladedruckregelventil-Gehäuses 30a von dem Turbinengehäuse 22 ist, dass sie ermöglicht, dass nur das Turbinengehäuse 22 flüssigkeitsgekühlt wird. Dies ist wichtig, da durch Flüssigkeitskühlung einer kombinierten Turbolader- und Ladedruckregelventilanordnung eine beträchtliche Menge Wärme auf das Flüssigkeitskühlungssystem übertragen wird. Zum Beispiel und ohne Beschränkung werden für einen Motor mit einer maximalen Nennleistungsabgabe von 128 kW bei Vollgas näherungsweise 70 kW Wärme von dem Motor in das Kühlsystem abgegeben. Bei denselben Laufbedingungen erzeugt eine kombinierte Turbolader- und Ladedruckregelventilanordnung zusätzliche 27 kW Wärme, damit sie durch das Kühlsystem abgeleitet werden. Diese zusätzliche thermische Belastung kann die Größenänderung irgendwelcher zugeordneten Kühler mit erhöhten Kosten und Schwierigkeiten, diese in die Beschränkungen eines Motorraums zu packen, erfordern. Durch Trennung des Turbinengehäuses von dem Ladedruckregelventil-Gehäuse und lediglich Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses kann eine beträchtliche Verringerung der an das Kühlsystem übertragenen Wärme erhalten werden. Dies ist insbesondere so, wenn es eine beträchtliche Menge Bypassströmung über das Ladedruckregelventil gibt, was der vorherrschende Betriebszustand ist. Unter vielen Umständen ermöglicht diese Verringerung der thermischen Belastung, die dadurch erzeugt wird, dass nur das Turbinengehäuse flüssigkeitsgekühlt wird, dass ein vorhandenes Kühlsystem die zusätzlichen Kühlanforderungen, die ihm durch die Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses auferlegt werden, bewältigen kann, oder verringert es die zusätzliche thermische Belastung, an die ohne umfangreiche Neukonstruktion des Motorraums leicht angepasst werden kann.
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Besonders anhand von 2 ist ein Teil eines Motorsystems 5 in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform gezeigt, das in den meisten Beziehungen dasselbe wie das oben anhand von 1 beschriebene ist und für das ein Flüssigkeitskühlsystem wie etwa eines der in 3 bis 5 gezeigten ebenfalls einen Teil bilden würde.
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Außer in Bezug auf den flüssigkeitsgekühlten Abgaskrümmer 14 und auf die Anordnung des Bypasses 32, der, anstatt mit seinem ersten Ende mit dem Turbolader 20 verbunden zu sein, direkt mit dem flüssigkeitsgekühlten Abgaskrümmer 14 verbunden ist, ist das Motorsystem 5 wie oben beschrieben.
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Wie zuvor umfasst der Turbolader 20 ein Kompressorgehäuse 21, das einen Kompressor 23 aufnimmt, ein flüssigkeitsgekühltes Turbinengehäuse 22, das eine Turbine 24 aufnimmt, eine Antriebswelle 25, die den Kompressor 23 mit der Turbine 24 verbindet, und Traglager 26, die zum Stützen der Antriebswelle 25 verwendet sind, wobei das Kompressorgehäuse 21 und das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 als Teil eines einzelnen Gehäuses gebildet sein können oder als getrennte Gehäuse gebildet sein können, die aneinander befestigt sind. Auf jeden Fall ist wenigstens für das Turbinengehäuse 22 eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen, um es zu kühlen und um die Verwendung eines weniger temperaturbeständigen Materials zu ermöglichen, als es anderenfalls erforderlich wäre, falls keine Kühlung vorgesehen ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 aus einem Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, das im Vergleich zu einem herkömmlichen hochtemperaturbeständigen Gehäuse verhältnismäßig preiswert ist und preiswert hergestellt werden kann. Vorteilhaft sind der Zylinderkopf 11, der Abgaskrümmer 14 und das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 alle im Wesentlichen aus demselben Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, um thermische Belastungen zwischen den verschiedenen Komponenten zu minimieren.
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Wie zuvor tritt Luft in den Motor 10 durch eine Anzahl von Einlassschlitzen 12 ein und verlässt dem Motor 10 über eine Anzahl von Auslassschlitzen 13, die mit dem in dem flüssigkeitsgekühlten Krümmer 14 gebildeten Abgas-Strömungsdurchlass 15 zusammenwirken. Der flüssigkeitsgekühlte Krümmer 14 weist einen primären Abgasauslass 16, der mit dem Turbolader 20 in Verbindung steht, sodass Abgase von dem Abgas-Strömungsdurchlass 15 in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 strömen können, um die Turbine 24 zu drehen, und einen sekundären Abgasauslass 17, der mit dem ersten Ende des Bypasses 32 direkt in Verbindung steht, auf.
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Wie zuvor ist das zweite Ende des Bypasses 31 mit dem zum Strömen von Abgas von der Turbine 24 in die Atmosphäre verwendeten Auspuffrohr 18 verbunden, wobei das Strömen von Abgas in die Atmosphäre normalerweise über verschiedene Abgasemissions-Behandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) erfolgt. Somit ist das erste Ende des Bypasses 32 auf der Einlassseite der Turbine 24 verbunden und ist sein zweites Ende auf der Auslassseite der Turbine 24 verbunden, um einen Abgasströmungsweg bereitzustellen, der parallel zu dem durch die Turbine 24 ist.
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Die Abgasströmung durch den Bypass 32 wird durch das Ladedruckregelventil 30 geregelt, das wie zuvor gegenüber dem bzw. den für den Turbolader 20 verwendeten Gehäuse oder Gehäusen ein getrenntes Gehäuse 30a aufweist. Die Konstruktion und der Betrieb des Abgasregelventils 30 sind wie oben beschrieben und werden nicht erneut beschreiben.
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Wie zuvor erfolgt näherungsweise ein Drittel der Gesamtabgasströmung über den Bypass 31, wenn das Ladedruckregelventil 30 vollständig offen ist und die maximale Abgasströmung durch den Motor 10 erreicht wird. Diese Verringerung der Abgasströmung durch das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 bedeutet, dass im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung, bei der der Bypass als Teil des Turboladers gebildet ist, weniger Wärme an das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 übertragen wird. Darüber hinaus wird die Menge der an das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 übertragenen Wärme im Vergleich zu der in 1 gezeigten Anordnung verringert, da bei dieser Ausführungsform nichts von dem Abgas, das durch den Bypass 32 strömt, mit dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 in Kontakt gelangt. Außerdem ist es möglich, den primären und den sekundären Abgasauslass 16 und 17 so anzuordnen und zu profilieren, dass die Strömung von Gas in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 und in den Bypass 32 im Vergleich zu der Situation in Bezug auf die in 1 gezeigte Konstruktion, bei der das Bypassabgas um näherungsweise 90 Grad schwenken muss, um in den Bypass 31 einzutreten, besser definiert ist. Somit können Störungen auf der Einlassseite der Turbine 24 durch Verwendung getrennter Abgasauslässe 16, 17 von dem Motor 10 verringert werden, wodurch die Turbineneffizienz verbessert wird.
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Wie oben erwähnt wurde, ist das Turbinengehäuse 22 flüssigkeitsgekühlt und enthält Kühlmittelströmungsdurchlässe (nicht gezeigt), durch die flüssiges Kühlmittel wie etwa z. B. und ohne Beschränkung Wasser strömen kann, wenn es mit einem Kühlkreislauf wie etwa z. B. einem der in 3 bis 5 gezeigten Kühlkreisläufe verbunden ist.
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Anhand von 6 und 7 ist eine dritte Ausführungsform eines Motorsystems 105 gezeigt, das in den meisten Beziehungen dasselbe wie das in 1 gezeigte ist.
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Das Motorsystem 105 enthält einen Verbrennungsmotor 10 mit einem flüssigkeitsgekühlten kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111, einen Turbolader 20 und ein Ladedruckregelventil 30.
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Der Turbolader 20 ist gleich dem anhand von 1 beschriebenen und wird somit nicht noch einmal ausführlich beschrieben. Wie zuvor ist das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 aus einem Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, das im Vergleich zu einem herkömmlichen hochtemperaturbeständigen Gehäuse verhältnismäßig preiswert ist und preiswert hergestellt werden kann. Vorteilhaft sind der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 und das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 im Wesentlichen aus demselben Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, um die thermischen Belastungen zwischen ihnen zu minimieren.
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Luft tritt in den Motor 10 durch eine Anzahl von Einlassschlitzen 112 ein und tritt über einen Abgasströmungsdurchlass 115, der als ein integraler Bestandteil des kombinierten Abgaskrümmers und Zylinderkopfs 111 gebildet ist, aus dem Motor 10 aus. Der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 weist einen primären Abgasauslass 116 auf, der mit dem Turbolader 20 in Verbindung steht, sodass Abgase von dem Abgasströmungsdurchlass 115 in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 strömen können, um die Turbine 24 zu drehen.
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Wie oben definiert wurde, definiert das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 nicht nur eine Arbeitskammer für die Turbine 24, sondern ebenfalls einen sekundären Abgaszufuhrdurchlass, mit dem ein erstes Ende eines Bypasses 131 verbunden ist. Ein zweites Ende des Bypasses 131 ist mit einem Auspuffrohr 18 verbunden, das zum Strömen von Abgas von der Turbine 24 in die Atmosphäre über verschiedene Abgasemissions-Behandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) verwendet wird. Somit ist das erste Ende des Bypasses 131 auf der Einlassseite der Turbine 24 verbunden und ist sein zweites Ende auf der Auslassseite der Turbine 24 verbunden, um einen Abgasströmungsweg bereitzustellen, der parallel zu dem über die Turbine 24 ist.
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Wie zuvor wird die Strömung durch den Bypass 131 durch das Ladedruckregelventil 30 geregelt, das gegenüber dem bzw. den für den Turbolader 20 verwendeten Gehäuse oder Gehäusen ein getrenntes Gehäuse 30a aufweist. Die Konstruktion und der Betrieb des Ladedruckregelventils 30 sind wie oben beschrieben.
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Somit ist der Hauptunterschied zwischen dieser Ausführungsform und der oben anhand von 1 beschriebenen, dass der flüssigkeitsgekühlte Krümmer in diesem Fall als ein integraler Bestandteil des Zylinderkopfs gebildet ist, um den kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 zu bilden.
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Wie oben erwähnt wurde, ist das Turbinengehäuse 22 flüssigkeitsgekühlt und enthält Kühlmittelströmungsdurchlässe (nicht gezeigt), durch die flüssiges Kühlmittel wie etwa z. B. und ohne Beschränkung Wasser strömen kann. Es wird gewürdigt werden, dass die drei in 3 bis 5 gezeigten alternativen Flüssigkeitskühlkreisläufe an die Zufuhr von flüssigem Kühlmittel zu dem in 6 gezeigten flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse angepasst werden können, um einen Teil des Motorsystems 105 zu bilden.
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Zum Beispiel und mit Bezug auf 3 und 7 weist der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 in einem Fall, in dem das Kühlmittel direkt von dem Motor 10 zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 strömt, einteilig gebildete Kühlmittelströmungsanschlüsse 141, 142 auf. Die Anschlüsse 141, 142 sind in Verwendung so angeordnet, dass sie zu komplementären Anschlüssen (nicht gezeigt) passen, die sich an dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 befinden, um eine Kühlmittelströmungsverbindung dazwischen bereitzustellen. In Verwendung strömt Kühlmittel aus dem Anschluss 141 durch das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 und über den Anschluss 142 zu dem kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 zurück und daraufhin in den Zylinderblock des Motors, von wo es über den Rücklaufschlauch RL zu dem Kühler 1 zurückgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Zufuhr von Kühlmittel zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Schläuche oder Rohre erfolgt.
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Besonders anhand von 8 ist eine vierte Ausführungsform eines Motorsystems 105 gezeigt, das außer in Bezug auf den flüssigkeitsgekühlten Abgaskrümmer, der, anstatt eine getrennte Komponente zu sein, als ein integraler Bestandteil des Zylinderkopfs gebildet ist, um einen kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 zu bilden, in vielen Beziehungen dasselbe wie das oben anhand von 2 beschriebene ist.
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Der Turbolader 20 ist wie zuvor und wird nicht noch einmal ausführlich beschrieben und das Turbinengehäuse 22 ist flüssigkeitsgekühlt und aus einem Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, das im Vergleich zu einem herkömmlichen hochtemperaturbeständigen Gehäuse verhältnismäßig preiswert ist und preiswert hergestellt werden kann.
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Vorteilhaft sind der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 und das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 beide im Wesentlichen aus demselben Aluminiumlegierungsmaterial hergestellt, um thermische Belastungen zwischen ihnen zu minimieren.
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Luft tritt in den Motor 10 durch eine Anzahl von Einlassschlitzen 112 ein und tritt aus dem Motor 10 über einen Abgasströmungsdurchlass 115, der als ein integraler Bestandteil des kombinierten Abgaskrümmers und Zylinderkopfs 111 gebildet ist, aus. Der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 weist einen primären Abgasauslass 116, der mit dem Turbolader 20 in Verbindung steht, sodass Abgase von dem Abgasströmungsdurchlass 115 in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 strömen können, um die Turbine 24 zu drehen, und einen sekundären Abgasauslass 117 für die Verbindung mit einem ersten Ende eines Bypasses 132 auf.
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Ein zweites Ende des Bypasses 132 ist mit dem Auspuffrohr 18 verbunden, das zum Strömen von Abgas von der Turbine 24 in die Atmosphäre über verschiedene Abgasemissions-Behandlungsvorrichtungen (nicht gezeigt) verwendet wird. Somit ist das erste Ende des Bypasses 132 auf der Einlassseite der Turbine 24 verbunden und ist sein zweites Ende auf der Auslassseite der Turbine 24 verbunden, um einen Abgasströmungsweg bereitzustellen, der parallel zu dem über die Turbine 24 ist.
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Die Strömung durch den Bypass 132 wird durch das Ladedruckregelventil 30 geregelt, das wie zuvor gegenüber dem bzw. den für den Turbolader 20 verwendeten Gehäuse oder Gehäusen ein getrenntes Gehäuse 30a aufweist. Die Konstruktion und der Betrieb des Ladedruckregelventils 30 sind wie oben beschrieben und werden nicht erneut beschrieben.
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Wie zuvor strömt näherungsweise ein Drittel der Gesamtabgasströmung über den Bypass 132, wenn die maximale Abgasströmung erreicht ist und das Ladedruckregelventil 30 vollständig offen ist. Da bei dieser Ausführungsform nichts von dem Abgas, das durch den Bypass 132 strömt, mit dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 in Kontakt gelangt, ist die Menge der auf das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 übertragenen Wärme im Vergleich zu der in 6 gezeigten Anordnung verringert. Außerdem ist es möglich, den primären und den sekundären Abgasauslass 116 und 117 so anzuordnen und zu profilieren, dass die Strömung von Gas in das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 und in den Bypass 132 im Vergleich zu der Situation in Bezug auf die in 6 gezeigte Konstruktion, bei der die Bypassabgasströmung näherungsweise um 90 Grad schwenken muss, um in den Bypass einzutreten, besser definiert ist. Somit hat die Verwendung getrennter Abgasauslässe 116, 117 gegenüber dem kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 die Wirkung, Störungen auf der Einlassseite der Turbine 24 zu verringern, wodurch die Turbineneffizienz verbessert wird.
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Wie oben erwähnt wurde, ist das Turbinengehäuse 22 flüssigkeitsgekühlt und enthält Kühlmittelströmungsdurchlässe (nicht gezeigt), durch die flüssiges Kühlmittel wie etwa z. B. und ohne Beschränkung Wasser strömen kann, wenn es mit einem Kühlkreislauf verbunden ist. Es wird gewürdigt werden, dass die in 3 bis 5 gezeigten Kühlkreisläufe leicht angepasst werden könnten, um zu einer kombinierten Abgaskrümmer-Zylinderkopf-Konstruktion wie in 8 und 9 gezeigt zu passen.
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Zum Beispiel und anhand von 3 und 9 hat der kombinierte Abgaskrümmer und Zylinderkopf 111 wie in 9 gezeigt einteilig ausgebildete Kühlmittelströmungsanschlüsse 141, 142, falls das Kühlmittel direkt von dem Motor 10 zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 strömt. Die Anschlüsse 141, 142 sind in Verwendung passend zu komplementären Anschlüssen (nicht gezeigt) angeordnet, die sich an dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 befinden, um eine Kühlmittelströmungsverbindung dazwischen bereitzustellen. In Verwendung strömt Kühlmittel aus dem Anschluss 141 durch das flüssigkeitsgekühlte Turbinengehäuse 22 und über den Anschluss 142 zurück zu dem kombinierten Abgaskrümmer und Zylinderkopf. Dies hat den Vorteil, dass eine Zufuhr von Kühlmittel zu dem flüssigkeitsgekühlten Turbinengehäuse 22 ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Schläuche oder Rohre erfolgt.
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Zusammengefasst wird somit durch Trennung eines Ladedruckregelventils und seines Gehäuses von einem Turbolader und durch Flüssigkeitskühlung eines Turbinengehäuses, das einen Teil des Turboladers bildet, ein kompakterer Turbolader mit wesentlich niedrigerer Strahlungsheizwirkung erzeugt. Außerdem wird die Menge der an das Turbinengehäuse übertragenen Wärme verringert, falls ein externes Ladedruckregelventil verwendet wird, da viel von dem Abgas während bestimmter Betriebsbedingungen des Motors durch das Ladedruckregelventil strömt. Die Verwendung eines externen nicht flüssigkeitsgekühlten Ladedruckregelventil-Gehäuses verringert außerdem die zusätzliche thermische Belastung, an die durch das flüssigkeitsgekühlte System, das zum Kühlen des Turbinengehäuses verwendet wird, im Vergleich zu der Situation, bei der das Ladedruckregelventil-Gehäuse als Teil des Turboladers gebildet ist und ebenfalls flüssigkeitsgekühlt wird, angepasst werden muss.
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Darüber hinaus ermöglicht die Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses wegen der niedrigeren Temperaturen, die das Turbinengehäusematerial aushalten muss, die Verwendung weniger teurer Materialien für seine Herstellung.
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Obwohl die Erfindung beispielhaft mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für den Fachmann auf dem Gebiet klar, dass sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist und dass eine oder mehrere Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen oder alternative Ausführungsformen konstruiert werden könnten, ohne von dem wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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