DE102014201412A1

DE102014201412A1 - Zylinderkopf mit gekühlter Turbine

Info

Publication number: DE102014201412A1
Application number: DE102014201412.3A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhlbach; Jan Mehring; Stefan Quiring; Clemens Maria Verpoort; Carsten Weber
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1), bei dem – der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, wobei die mindestens eine Abgasleitung mindestens eines Zylinders in einen Eintrittsbereich (4) der Turbine (1) mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal (5) übergeht, und – die Turbine (1), welche mindestens ein in einem Turbinengehäuse (3) auf einer drehbaren Welle (7) gelagertes Laufrad (6) umfasst, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse (3) integrierten Kühlmittelkanal (8) aufweist, der durch mindestens eine Wandung (2) begrenzt und ausgebildet ist. Es soll ein Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) der oben genannten Art bereitgestellt werden, der hinsichtlich der Turbine (1) optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) der genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass – die mindestens eine den mindestens einen Kühlmittelkanal (8) begrenzende Wandung (2) zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit gekühlter Turbine, bei dem

– der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, wobei die mindestens eine Abgasleitung mindestens eines Zylinders in einen Eintrittsbereich der Turbine mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal übergeht, und
– die Turbine, welche mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung mindestens eines Zylinders, d. h. Brennraums, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
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 und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft, über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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 Auslassöffnungen eines einzelnen Zylinders werden dabei in der Regel – innerhalb des Zylinderkopfes – zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammengeführt, bevor diese Teilabgasleitungen – häufig zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung – zusammengeführt werden. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann einer Turbine zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
Die Herstellungskosten für die Turbine sind vergleichsweise hoch, da der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu dem für den Zylinderkopf vorzugsweise verwendeten Werkstoff; beispielweise Aluminium. Nicht nur die Werkstoffkosten 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 oder Grauguss, gefertigt werden könnte.
Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führt. Denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich, auch weil ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muss. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
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 einer 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 dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher 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 einer gekühlten Turbine ist daher ein Kompromiss zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich.
Um kostengünstigere Werkstoffe für die Turbine verwenden zu können, kann die Turbine nach dem Stand der Technik auch abgasseitig mit einer Isolierung ausgestattet werden. Ein derartiges Konzept offenbart die internationale Anmeldung WO 2010/039590 A1 .
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zylinderkopf mit gekühlter Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, der hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Zylinderkopf mit gekühlter Turbine, bei dem

– der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, wobei die mindestens eine Abgasleitung mindestens eines Zylinders in einen Eintrittsbereich der Turbine mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal übergeht, und
– die Turbine, welche mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist, und der dadurch gekennzeichnet ist, dass
– die mindestens eine den mindestens einen Kühlmittelkanal begrenzende Wandung zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen ist.

Erfindungsgemäß wird der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit einer Wärmeisolierung ausgestattet, d. h. die diesen Kühlmittelkanal begrenzende Wandung wird – zumindest bereichsweise – mit einer Wärmeisolierung versehen, d. h. beschichtet, verkleidet oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung gegenüber dem verwendeten Gehäusewerkstoff ganz allgemein dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als dieser Werkstoff.
Vorliegend wird nicht angestrebt, eine möglichst große Wärmemenge aus dem Gehäuse abzuführen. Im Gegensatz zu dieser herkömmlichen Zielsetzung wird es der Kühlung erfindungsgemäß durch Einbringen einer Wärmeisolierung erschwert, dem Gehäuse Wärme zu entziehen und dieses Gehäuse zu kühlen. Die Kühlleistung wird durch Einbringen einer Isolierung bewusst begrenzt und gemindert. Die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Fläche, d. h. der Wandung, wird gesenkt, wobei auch erfindungsgemäß Wärme vom Gehäuse in das Kühlmittel eingebracht wird, aber weniger als nach dem Stand der Technik.
Durch diese Maßnahme wird die maximal abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen Turbine ein entsprechender Werkstoff zu wählen, nämlich Grauguss bzw. Stahlguss oder dergleichen.
Einerseits ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da die Turbine auch erfindungsgemäß mit einer Kühlung ausgestattet ist. Andererseits ist die Kühlleistung nicht von der Art, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe damit entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abzuführen sind.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Zylinderkopf mit gekühlter Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, der hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gegenüber Konzepten gemäß dem Stand der Technik, bei denen das Gehäuse abgasseitig mittels Isolierung vor einem zu großen Wärmeeintrag geschützt wird, ist darin zu sehen, dass erfindungsgemäß der Wärmeeintrag in das Gehäuse bzw. den Gehäusewerkstoff mittels Isolierung nicht erschwert oder beschränkt wird. Darüber hinaus sind Ausführungsformen realisierbar, bei denen die kühlmittelseitige Fläche deutlich geringer bemessen ist als die abgasseitige Fläche, weshalb weniger umfänglich eine Isolierung einzubringen ist.
Der erfindungsgemäße Zylinderkopf mit Turbine 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 Turbine 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 Hubraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der 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 einen Zylinder auf und dieser Zylinder nur eine Auslassöffnung, bildet die eine zylinderzugehörige Abgasleitung das Abgasabführsystem, d. h. die Gesamtabgasleitung bzw. den Krümmer, die bzw. der in die Turbine mündet. Es handelt sich auch dabei um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, die in die Turbine mündet, handelt es sich ebenfalls um einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf.
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.
Bei drei und mehr Zylindern sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen

– mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
– die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.

Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen, also gewissermaßen zwei Eintrittsbereiche auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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 die mindestens eine Wandung zu mehr als 50% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Wandung zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Wandung zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die mindestens eine Wandung vollständig mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung Emaille umfasst.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung Keramik umfasst.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Wärmeisolierung zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist. Zur Ausbildung der Wärmeisolierung kann auch zunächst Material, beispielweise Emaille oder Keramik oder dergleichen, eingebracht und anschließend oberflächenbehandelt werden. Gegebenenfalls wird die Wärmeisolierung ausschließlich mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Turbine eine Radialturbine ist.
Ist die Turbine als Radialturbine ausgeführt, dann erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Insofern kann die Turbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung.
Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.
Vorteilhaft sind auch daher Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Gehäuse zumindest abschnittsweise spiralförmig um die Welle erstreckt.
Vorteilhaft sind insbesondere in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich umfänglich um und beabstandet zu dem Strömungskanal über einen Winkel α erstreckt mit α ≤ 45°.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen gilt: α ≤ 30° bzw. α ≤ 20°. bzw. α ≤ 15°.
Je kleiner der Winkelbereich ist, in welchem der Kühlmittelkanal den Strömungskanal in Umfangsrichtung überstreicht, desto weniger voluminös muss das Gehäuse ausgeführt werden, d. h. je geringer ist der Materialeinsatz, der maßgeblich von der Größe des zu integrierenden Kühlmittelkanals mitbestimmt wird. Folglich nimmt auch das Gewicht des Gehäuses mit der Größe des Kühlmittelkanals ab bzw. zu.
Hinsichtlich der letztgenannten Ausführungsformen wird Bezug genommen auf die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2010 037 378.8 .
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Turbine zur Ausbildung einer Kühlung einen einzelnen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen das Turbinengehäuse ein Gussteil ist, in welches die Wärmeisolierung im Rahmen einer Nachbearbeitung eingebracht ist. Als Nachbearbeitung werden insbesondere das Beschichten und das Oberflächenbehandeln angesehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen jeder Zylinder zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebs die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu schließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei diese mindestens eine Gesamtabgasleitung in den Eintrittsbereich der Turbine mündet.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei diese mindestens eine Gesamtabgasleitung in den Eintrittsbereich der Turbine mündet.
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. Desweiteren 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 daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt.
Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.
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 hohen Wärmekapazität einer Flüssigkeit 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. Die Wärme wird im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben, das mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert wird, 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 deutlich höher ist.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen des Zylinderkopfes vorteilhaft sind, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden ist.
Ist der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden, müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für den des Zylinderkopfes verwendet werden können, was zu Synergien und erheblichen Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die im Zylinderkopf und im Turbinengehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
Darüber hinaus kann der Kühlmittelkanal der Turbine via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden, so dass keine weiteren Kühlmittelzuführ- und Abführöffnungen am Turbinengehäuse vorgesehen werden müssen und auch auf weitere Kühlmittelleitungen verzichtet werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, 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, wobei der obere Kühlmittelmantel und der untere Kühlmittelmantel vorzugsweise miteinander verbunden sind.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der untere Kühlmittelmantel und/oder der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der Turbine verbunden sind.
Die Kühlung kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, das zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile, falls der untere Kühlmittelmantel und der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkanal der Turbine bzw. über den Kühlmittelmantel der Turbine miteinander verbunden sind. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal der Turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine und der Zylinderkopf separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Ein modularer Aufbau, hat den Vorteil, dass die einzelnen Bauteile – nämlich die Turbine bzw. der Zylinderkopf – nach dem Baukastenprinzip auch mit anderen Bauteilen, insbesondere anderen Zylinderköpfen bzw. Turbinen, kombiniert werden können. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten pro Stück gesenkt werden können. Zudem werden hierdurch die Kosten gesenkt, falls die Turbine bzw. der Zylinderkopf infolge eines Defekts auszutauschen, d. h. zu ersetzen ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen das Turbinengehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren und daher kostenintensiven Verbindung zwischen Zylinderkopf und Turbine entfällt prinzipbedingt durch die einteilige Ausbildung. Infolgedessen besteht auch nicht die Gefahr, dass Abgas ungewollt infolge einer Leckage in die Umgebung austritt. In Bezug auf die Kühlmittelkreisläufe bzw. die Verbindung der Kühlmittelmäntel und der Leckage von Kühlmittel gilt Ähnliches in analoger Weise.
Die eingesetzte Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Wird hingegen eine Turbine mit variabler Geometrie eingesetzt, sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 die Turbine einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades, und
2 den in 1 gekennzeichneten Schnitt A-A.
1 zeigt die Turbine 1 einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Welle 7 des Turbinenlaufrades 6.
Die Turbine 1 ist eine Radialturbine 1a, welche ein in einem Turbinengehäuse 3 angeordnetes und auf einer drehbaren Welle 7 gelagertes Laufrad 6 umfasst. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist der vom Eintrittsbereich 4 ausgehende Strömungskanal 5 spiralförmig und das Gehäuse 3 zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet.
Zur Ausbildung einer Kühlung weist das Gehäuse 3 einen integrierten Kühlmittelkanal 8 auf, der sich im Gehäuse 3 spiralförmig um die Welle 7 erstreckt und damit dem Strömungskanal 5 bis zum Eintritt des Abgases in das Laufrad 6 folgt. Zu erkennen ist, dass der Kühlmittelkanal 8 beabstandet zum Strömungskanal 5 verläuft und zwar auf der dem Laufrad 6 abgewandten Seite des Strömungskanals 5. Benachbart zum Eintrittsbereich 4 des Turbinengehäuses 3 sind Kanalöffnungen 9 vorgesehen, um Kühlmittel in den Kühlmittelkanal 8 einleiten und wieder abführen zu können. Zur Befestigung der Turbine 1 am Zylinderkopf (nicht dargestellt) ist das Gehäuse 3 mit einem Flansch 10 ausgestattet.
Die den Kühlmittelkanal 8 begrenzenden Wandungen 2 sind mit einer Wärmeisolierung 2a ausgestattet, d. h. beschichtet. Durch Einbringen dieser Isolierung 2a wird der Wärmeeintrag vom Gehäuse 3 in das Kühlmittel erschwert, wodurch sowohl dem Gehäuse 3 weniger Wärme entzogen und als auch weniger Wärme in das Kühlmittel eingebracht wird. Die Kühlleistung wird durch die Isolierung 2a gezielt gemindert, indem die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Wandung 2 gesenkt wird.
2 zeigt den in 1 gekennzeichneten Schnitt A-A. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Kühlmittelkanal 8 erstreckt sich bei der in 2 dargestellten Ausführungsform umfänglich über einen Winkel α ≈ 90° um den Strömungskanal 5, gemessen von der Mittellinie des Strömungskanals 5. Folglich legt sich der Kühlmittelkanal 8 vorliegend nicht – ähnlich einem Kühlmittelmantel – möglichst großflächig um den Strömungskanal 5. Auf diese Weise wird die vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge ebenfalls begrenzt und zwar durch Reduzierung der wärmeübertragenden Flächen.
Bezugszeichenliste

1: Turbine
1a: Radialturbine
2: Wandung
2a: Wärmeisolierung
3: Turbinengehäuse
4: Eintrittsbereich
5: Strömungskanal
6: Laufrad
7: Welle
8: Kühlmittelkanal
9: Kanalöffnung
10: Flansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0012]
EP 1384857 A2 [0013]
DE 102007017973 A1 [0014]
WO 2010/039590 A1 [0024]
DE 102010037378 [0064]

Claims

Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1), bei dem – der Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschliesst, wobei die mindestens eine Abgasleitung mindestens eines Zylinders in einen Eintrittsbereich (4) der Turbine (1) mündet, der in einen Abgas führenden Strömungskanal (5) übergeht, und – die Turbine (1), welche mindestens ein in einem Turbinengehäuse (3) auf einer drehbaren Welle (7) gelagertes Laufrad (6) umfasst, zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse (3) integrierten Kühlmittelkanal (8) aufweist, der durch mindestens eine Wandung (2) begrenzt und ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine den mindestens einen Kühlmittelkanal (8) begrenzende Wandung (2) zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (2) zu mehr als 50% mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (2) zu mehr als 70% mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (2) zu mehr als 80% mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (2) vollständig mit einer Wärmeisolierung (2a) versehen ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (2a) Emaille umfasst.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (2a) Keramik umfasst.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierung (2a) zumindest auch mittels Oberflächenbehandlung ausgebildet ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) eine Radialturbine (1a) ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (8) sich im Gehäuse (3) zumindest abschnittsweise spiralförmig um die Welle (7) erstreckt.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (8) sich umfänglich um und beabstandet zu dem Strömungskanal (5) über einen Winkel α erstreckt mit α ≤ 45°.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: α ≤ 30°.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (1) zur Ausbildung einer Kühlung einen im Gehäuse (3) integrierten Kühlmittelkanal (8) aufweist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (3) ein Gussteil ist, in welches die Wärmeisolierung (2a) im Rahmen einer Nachbearbeitung eingebracht ist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei diese mindestens eine Gesamtabgasleitung in den Eintrittsbereich (4) der Turbine (1) mündet.
Zylinderkopf mit gekühlter Turbine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei diese mindestens eine Gesamtabgasleitung in den Eintrittsbereich (4) der Turbine (1) mündet.