DE102013216112A1

DE102013216112A1 - Zylinderkopf mit einer Axialturbine

Info

Publication number: DE102013216112A1
Application number: DE201310216112
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Ludwig Stump; Jens Dunstheimer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) mit einer Axialturbine (5) und mindestens zwei Zylindern (1a), bei dem – die Axialturbine (5) mindestens ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes und auf einer drehbaren Welle (7a) gelagertes Laufrad (7) umfasst, – der Zylinderkopf (1) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf (1) integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und – jeder Zylinder (1a) mindestens eine Auslassöffnung (2a) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung (2a) eine Abgasleitung (2) anschließt, wobei die Abgasleitungen (2) von mindestens zwei Zylindern (1a) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (4) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (3) zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich (6a) der Axialturbine (5) mündet. Es soll ein Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) der oben genannten Art bereitgestellt werden, der hinsichtlich der Axialturbine (5) optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) der genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass – der Eintrittsbereich (6a) und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses (6), welcher das mindestens eine Laufrad (7) beabstandet und umfänglich um die Welle (7a) umschließt, im Zylinderkopf (1) integriert ist, so dass der Zylinderkopf (1) und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses (6) ein monolithisches Bauteil bilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einer Axialturbine und mindestens zwei Zylindern, bei dem

– die Axialturbine mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst,
– der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich der Axialturbine mündet.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder, d. h. der Brennräume, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden. Eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet. Der Begriff Brennkraftmaschine umfasst dabei Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Der Zylinderblock 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.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane, üblicherweise Hubventile, und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen.
Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Auslasskanäle, d. h. die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer Gesamtabgasleitung oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf führen die Abgasleitungen unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Dies hat mehrere Gründe und trägt insbesondere der Tatsache Rechnung, dass die Abgase stromabwärts des Krümmers einer Axialturbine zugeführt werden, beispielsweise der Axialturbine eines Abgasturboladers. Bei einer Axialturbine erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen axial. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente.
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.
Man ist bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks des Abgasabführsystems zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren. Dabei ist es zielführend, die Abgasleitungen unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammen führen, wodurch sich insbesondere die Länge der Abgasleitungen verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Axialturbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgasabführsystems 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.
Ein derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muss ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden.
Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb Zylinderköpfe der in Rede stehenden Art vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion 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 ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch, 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.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen nochmals deutlich höher ist.
Aufgrund des zuvor Gesagten ist auch der erfindungsgemäße Zylinderkopf mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, d. h. mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel.
Die Turbine ist ebenfalls thermisch hochbelastet. Die Herstellungskosten für die Turbine sind daher sehr 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 an sich sind vergleichsweise hoch, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es im Hinblick auf die Kosten überaus vorteilhaft wäre, wenn eine Turbine bereitgestellt werden könnte, die aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Aluminium, gefertigt werden könnte. Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft.
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 der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit 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.
Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 011 257 A1 . Eine Flüssigkeitskühlung der Turbine wird dadurch ausgebildet, dass das eigentliche Turbinengehäuse mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in den Kühlmittel eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Gehäuse umfasst dann den Kühlmittelmantel.
Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Die DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise 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. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
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.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40kW oder mehr betragen kann, wenn zur Herstellung des Gehäuses thermisch wenig belastbare Materialien wie Aluminium verwendet werden. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.
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, wo die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.
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.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich anzuordnen, um die bei Verwendung thermisch wenig belastbarer Materialien anfallenden hohen Wärmemengen auch abführen zu können, ist nicht gegeben. Bei der konstruktiven Auslegung der Turbine sind daher neue Konzepte erforderlich.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf mit Axialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Axialturbine optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit einer Axialturbine und mindestens zwei Zylindern, bei dem

– die Axialturbine mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst,
– der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich der Axialturbine mündet, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass
– der Eintrittsbereich und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad beabstandet und umfänglich um die Welle umschließt, im Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.

Erfindungsgemäß ist das Turbinengehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert, nämlich der Eintrittsbereich und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad umschließt. Damit ist der thermisch am höchsten beanspruchte Gehäuseteil im Zylinderkopf integriert und kann an der im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipieren. Das sich im Turbinenlaufrad entspannende Abgas hat am Austritt der Turbine außerhalb des Zylinderkopfes eine wesentlich geringere Temperatur als stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, d. h. beispielsweise im Eintrittsbereich. Das erfindungsgemäße Konzept hat gleich mehrere Vorteile.
Die Kühlleistung betreffend die Turbine wird begrenzt, indem die bereitgestellte wärmeübertragende Fläche beschränkt wird. Durch diese Maßnahme wird die turbinenseitig abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht dennoch den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses.
Die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils sind insbesondere die hohe Gewichtsersparnis, die kompakte Bauweise und das verbesserte Ansprechverhalten der Turbine infolge der überaus motornahen Anordnung. Das monolithische Bauteil wird vorzugsweise als gegossenes Bauteil ausgebildet, vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Grauguss oder dergleichen.
Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren und daher kostenintensiven Verbindung zwischen Zylinderkopf und Turbine entfällt prinzipbedingt durch die einteilige Ausbildung. Die Montagezeit verkürzt sich erheblich.
Die Turbine ist erfindungsgemäß als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Insofern kann die Axialturbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft vorzugsweise parallel zur Welle des Abgasturboladers, so dass die Anströmung exakt axial verläuft.
Die Verwendung einer Axialturbine macht die bei Radialturbinen zwingend erforderliche, d. h. prinzipbedingt unumgängliche radiale Zuführung des Abgases mittels Spiral- oder Schneckengehäuse entbehrlich, wodurch der Druckverlust im Abgas infolge Umlenkung gemindert und die Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine erhöht werden kann.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Zylinderkopf mit Axialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, der hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
Der erfindungsgemäße Zylinderkopf mit Axialturbine eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind. Eine Kühlung der Turbine des Abgasturboladers ist folglich vorteilhaft.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Axialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
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.
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.
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.
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 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
Ausführungsformen des Zylinderkopfes, 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, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Zylinderkopfes werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen

– der Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, und
– der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
Der Zylinderkopf verfügt vorliegend über mindestens eine Verbindung, die in einer Außenwandung des Zylinderkopfes angeordnet ist, d. h. außerhalb des mindestens einen integrierten Abgaskrümmers liegt.
Bei der Verbindung handelt es sich um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und/oder umgekehrt.
Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.
Die Kühlung kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Gesamtabgasleitung bzw. dem Eintrittsbereich kleiner ist als der Durchmesser, vorzugsweise kleiner ist als der halbe Durchmesser, eines Zylinders, wobei sich der Abstand aus der Wegstrecke zwischen der Außenwand der Gesamtabgasleitung bzw. des Eintrittsbereichs und der Außenwand der Verbindung ergibt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel den Eintrittsbereich zumindest teilweise überdeckt. Dies kann auch seitlich erfolgen mittels der mindestens einen Verbindung.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel den Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad umschließt, zumindest teilweise überdeckt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Axialturbine mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung aufweist.
Die Axialturbine 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. Hierzu dient eine Leiteinrichtung mit Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, 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 Strömung Einfluss genommen werden kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades angeordnet ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung stromabwärts des mindestens einen Laufrades angeordnet ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Axialturbine mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung aufweist. Mittels dieser Leiteinrichtung lassen sich Teile des Laufrades, vorzugsweise dreieckige Abschnitte, d. h. kuchenförmige Segmente, abdecken oder freigeben, so dass entweder das gesamte Laufrad von Abgas durchströmt wird oder aber bei verengtem Querschnitt nur die nicht abgedeckten noch freien Segmente.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades angeordnet ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung stromabwärts des mindestens einen Laufrades angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. Wie bereits eingangs erwähnt, ist es während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslassöffnung vorteilhaft ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der vier Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Zylinderkopf drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der drei Zylinder unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Welle der Axialturbine senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes verläuft. Diese Ausrichtung der Welle begünstigt bzw. ermöglicht erst eine im Wesentlichen axiale Anströmung der Laufschaufeln, vorzugsweise eine Anströmung, die nahezu parallel zur Welle der Turbine verläuft bzw. exakt axial verläuft. Geringe Druckverluste garantieren eine möglichst hohe Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes vorteilhaft, bei denen die Welle der Axialturbine mittig zu einem integrierten Abgaskrümmer verläuft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der Austrittsbereich der Axialturbine als rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet ist, so dass eine radiale Abströmung im Austrittsbereich vorliegt. Dies gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum eines Kraftfahrzeuges.
Erfindungsgemäß kann auch das gesamte Turbinengehäuse im Zylinderkopf integriert sein, wobei das üblicherweise zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse befindliche Lagergehäuse unmittelbar an den Zylinderkopf anschließt und als Aufnahme und Lagerung für die Welle dient. Dabei kann auch das Lagergehäuse den Austrittsbereich der Axialturbine bzw. ein rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausbilden bzw. mit ausbilden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform des Zylinderkopfes mit Axialturbine in der Draufsicht und teilweise geschnitten.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Zylinderkopfes 1 mit Axialturbine 5 in der Draufsicht und teilweise geschnitten.
Der Zylinderkopf 1 verfügt über drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 1 in Reihe angeordnete Zylinder 1a, weshalb es sich vorliegend um einen Drei-Zylinder-Reihenmotor handelt. Der Zylinderkopf 1 ist zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem im Zylinderkopf 1 integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet (nicht dargestellt). Jeder Zylinder 1a weist zwei Auslassöffnungen 2a zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem auf, wobei sich an jede Auslassöffnung 2a eine Abgasleitung 2 anschließt und die Abgasleitungen 2 der drei Zylinder 1a unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers 4 innerhalb des Zylinderkopfes 1 zu einer Gesamtabgasleitung 3 zusammenführen.
Die Gesamtabgasleitung 3 mündet noch im Zylinderkopf 1 in den Eintrittsbereich 6a einer Axialturbine 5. Die Axialturbine 5 umfasst ein Turbinengehäuse 6 und ein in diesem Turbinengehäuse 6 angeordnetes Laufrad 7, welches auf einer drehbaren Welle 7a gelagert ist.
Der Eintrittsbereich 6a und ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses 6, welcher das Laufrad 7 beabstandet und umfänglich um die Welle 7a umschließt, ist im Zylinderkopf 1 integriert, so dass der Zylinderkopf 1 und ein Teil des Turbinengehäuses 6 ein monolithisches Bauteil bilden. Die Welle 7a der Axialturbine 5 verläuft senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes 1 und mittig zum integrierten Abgaskrümmer 4.
Stromaufwärts des Laufrades 7 ist eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung 8 angeordnet. Die Leitschaufeln der Leiteinrichtung 8 sind stationär, aber nicht unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Strömung Einfluss genommen werden kann. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades 7 rotieren die Leitschaufeln aber nicht mit der Welle 7a der Turbine 5. Wie aus 1 ersichtlich, ist die Leiteinrichtung 8 auch nicht auf der Welle 7a gelagert. Stromabwärts des Laufrades 7 ist eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung 9 angeordnet, mit der segmentartige Abschnitte des Laufrades 7 verdeckt und damit deaktiviert werden können.
Der Austrittsbereich 6b stromabwärts des Laufrades 7 wird vom einem Lagergehäuse 10 als rundum verlaufendes Spiralgehäuse 10a mit ausgebildet, so dass eine radiale Abströmung im Austrittsbereich 6b vorliegt.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
1a: Zylinder
2: Abgasleitung
2a: Auslassöffnung
3: Gesamtabgasleitung
4: Abgaskrümmer
5: Axialturbine
6: Turbinengehäuse
6a: Eintrittsbereich
6b: Austrittsbereich
7: Laufrad
7a: Welle
8: mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung
9: blendenartig segmentierte Leiteinrichtung
10: Lagergehäuse
10a: Spiralgehäuse
11: Einlasskanäle
11a: Einlassöffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0020]
EP 1384857 A2 [0021]
DE 102007017973 A1 [0022]

Claims

Zylinderkopf (1) mit einer Axialturbine (5) und mindestens zwei Zylindern (1a), bei dem – die Axialturbine (5) mindestens ein in einem Turbinengehäuse (6) angeordnetes und auf einer drehbaren Welle (7a) gelagertes Laufrad (7) umfasst, – der Zylinderkopf (1) zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf (1) integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und – jeder Zylinder (1a) mindestens eine Auslassöffnung (2a) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung (2a) eine Abgasleitung (2) anschließt, wobei die Abgasleitungen (2) von mindestens zwei Zylindern (1a) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (4) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (3) zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich (6a) der Axialturbine (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – der Eintrittsbereich (6a) und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses (6), welcher das mindestens eine Laufrad (7) beabstandet und umfänglich um die Welle (7a) umschließt, im Zylinderkopf (1) integriert ist, so dass der Zylinderkopf (1) und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses (6) ein monolithisches Bauteil bilden.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Zylinderkopf (1) an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, und – der mindestens eine im Zylinderkopf (1) integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen (2) und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes (1) angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen (2) angeordnet ist, aufweist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel den Eintrittsbereich (6a) zumindest teilweise überdeckt.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel den Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses (6), welcher das mindestens eine Laufrad (7) umschließt, zumindest teilweise überdeckt.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine (5) mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung (8) aufweist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung (8) stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (7) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mit Schaufeln ausgestattete Leiteinrichtung (8) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (7) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine (5) mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung (9) aufweist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung (9) stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (7) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine blendenartig segmentierte Leiteinrichtung (9) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (7) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1a) zwei Auslassöffnungen (2a) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1a) aufweist.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes (1) in Reihe angeordnete Zylinder (1a) aufweist und die Abgasleitungen (2) der vier Zylinder (1a) unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers (4) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu mindestens einer Gesamtabgasleitung (3) zusammenführen.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes (1) in Reihe angeordnete Zylinder (1a) aufweist und die Abgasleitungen (2) der drei Zylinder (1a) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (4) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (3) zusammenführen.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7a) der Axialturbine (5) senkrecht zur Längsachse des Zylinderkopfes (1) verläuft.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (7a) der Axialturbine (5) mittig zu einem integrierten Abgaskrümmer (4) verläuft.
Zylinderkopf (1) mit Axialturbine (5) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (6b) der Axialturbine (5) als rundum verlaufendes Spiralgehäuse (10a) ausgebildet ist, so dass eine radiale Abströmung im Austrittsbereich (6b) vorliegt.