DE102014201732B4 - Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine - Google Patents

Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine Download PDF

Info

Publication number
DE102014201732B4
DE102014201732B4 DE102014201732.7A DE102014201732A DE102014201732B4 DE 102014201732 B4 DE102014201732 B4 DE 102014201732B4 DE 102014201732 A DE102014201732 A DE 102014201732A DE 102014201732 B4 DE102014201732 B4 DE 102014201732B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
housing
turbine
coolant
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102014201732.7A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102014201732A1 (en
Inventor
Jan Mehring
Kai Kuhlbach
Markus Reith
Stefan Quiring
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Priority to DE102014201732.7A priority Critical patent/DE102014201732B4/en
Publication of DE102014201732A1 publication Critical patent/DE102014201732A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102014201732B4 publication Critical patent/DE102014201732B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
    • F02B39/005—Cooling of pump drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/232—Heat transfer, e.g. cooling characterized by the cooling medium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine (2), die mit einem Lagergehäuse (3a) verbunden ist, bei der- die Radialturbine (2) ein Turbinengehäuse (2a), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4a) gelagertes Laufrad (4) angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse (2a) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (4) erstreckt,- das Lagergehäuse (3a), welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle (4a) dient, an einer quer zur Welle (4a) verlaufenden Montage-Flanschfläche (6a) mit dem Turbinengehäuse (2a) verbunden ist, und- das Lagergehäuse (3a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel (3b) benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche (6a) in einem die Montage-Flanschfläche (6a) aufnehmenden und ausbildenden Flansch (6) angeordnet ist, und- das Turbinengehäuse (2a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse (2a) integrierten Kühlmittelkanal (2b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich im Turbinengehäuse (2a) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle (4a) erstreckt und auf der dem Lagergehäuse (3a) abgewandten Seite des Laufrades (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Turbinengehäuse (2a) integrierte Kühlmittelkanal (2b) mit dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) via mindestens einem Verbindungskanal (7) verbunden ist, der geradlinig ist und parallel zur Welle (4a) verläuft, und welcher durch eine Gehäusezunge hindurchführt, welche das Turbinengehäuse (2a) am Ende des Abgas führenden Strömungskanals (5) ausbildet, wobei im Turbinengehäuse (2a) kein Kühlmittelmantel vorgesehen ist, der das Laufrad (4) einhüllt und ummantelt.Internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine (2), which is connected to a bearing housing (3a), in which the radial turbine (2) has a turbine housing (2a), in which an impeller (4) mounted on a rotatable shaft (4a) is arranged, comprises, wherein in the housing (2a), starting from an exhaust gas inlet opening, an exhaust gas-carrying flow channel (5) extends spirally around the impeller (4), - the bearing housing (3a), which serves to accommodate the rotatably mounted shaft (4a), on one Mounting flange surface (6a) running transversely to the shaft (4a) is connected to the turbine housing (2a), and - the bearing housing (3a) has at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) to form cooling, this at least a coolant jacket (3b) is arranged adjacent and spaced from the mounting flange surface (6a) in a flange (6) which receives and forms the mounting flange surface (6a), and - the turbine housing (2a) to form a cooling system at least one in the turbine housing ( 2a) has an integrated coolant channel (2b), this at least one coolant channel (2b) extending at least in sections in a ring shape around the shaft (4a) in the turbine housing (2a) and being arranged on the side of the impeller (4) facing away from the bearing housing (3a). , characterized in that the at least one coolant channel (2b) integrated in the turbine housing (2a) is connected to the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) via at least one connecting channel (7), which is straight and parallel to the shaft ( 4a), and which passes through a housing tongue which forms the turbine housing (2a) at the end of the exhaust gas-carrying flow channel (5), with no coolant jacket being provided in the turbine housing (2a), which envelops and encases the impeller (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine, die mit einem Lagergehäuse verbunden ist, bei der

  • - die Radialturbine ein Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt,
  • - das Lagergehäuse, welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle dient, an einer quer zur Welle verlaufenden Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, und
  • - das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche in einem die Montage-Flanschfläche aufnehmenden und ausbildenden Flansch angeordnet ist, und
  • - das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Turbinengehäuse zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle erstreckt und auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist.
The invention relates to an internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine, which is connected to a bearing housing, in which
  • - the radial turbine comprises a turbine housing in which an impeller mounted on a rotatable shaft is arranged, a flow channel carrying exhaust gas extending spirally around the impeller in the housing starting from an exhaust gas inlet opening,
  • - the bearing housing, which serves to accommodate the rotatably mounted shaft, is connected to the turbine housing on a mounting flange surface running transversely to the shaft, and
  • - the bearing housing has at least one coolant jacket integrated in the bearing housing to form cooling, this at least one coolant jacket being arranged adjacent and spaced from the mounting flange surface in a flange receiving and forming the mounting flange surface, and
  • - the turbine housing has at least one coolant channel integrated in the turbine housing to form cooling, this at least one coolant channel extending at least in sections in a ring shape around the shaft in the turbine housing and being arranged on the side of the impeller facing away from the bearing housing.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden sind. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen der Zylinder über die Einlassöffnungen. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane, beispielsweise Hubventile, und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which are connected to each other to form the cylinders. As part of the charge cycle, the combustion gases are pushed out via the exhaust openings and the cylinders are filled via the inlet openings. In order to control the gas exchange, an internal combustion engine requires control elements, for example lift valves, and actuating devices for actuating the control elements. The valve actuation mechanism required to move the valves, including the valves themselves, is called the valve train.

Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen der Zylinder anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird als Abgaskrümmer bezeichnet.According to the prior art, the exhaust pipes that connect to the exhaust openings of the cylinders are at least partially integrated in the cylinder head and are combined to form a single overall exhaust line or several overall exhaust lines. The combination of exhaust pipes to form a complete exhaust pipe is called an exhaust manifold.

Stromabwärts des mindestens einen Krümmers werden die Abgase dann häufig einer Radialturbine zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.Downstream of the at least one manifold, the exhaust gases are then often fed to a radial turbine, for example the turbine of an exhaust gas turbocharger, and optionally passed through one or more exhaust gas aftertreatment systems.

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.The manufacturing costs for the turbine are comparatively high because the material used for the thermally highly stressed turbine housing - often containing nickel - is cost-intensive, especially in comparison to the material preferably used for the cylinder head; for example aluminum. Not only are the material costs themselves comparatively high, but also the costs for processing these materials used for the turbine housing.

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 Grauguss oder Aluminium, gefertigt werden könnte.From what has been said above it follows that it would be extremely advantageous in terms of costs if a turbine could be provided which could be made from a less expensive material, for example gray cast iron or aluminum.

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 aufgrund des erforderlichen Zugangs für die Montagewerkzeuge. 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.The use of aluminum would also be advantageous in terms of the weight of the turbine. Especially when you consider that arranging the turbine close to the engine results in a relatively large, voluminous housing. This is because the connection of the turbine and cylinder head using a flange and screws requires a large turbine inlet area due to the limited space; also due to the access required for the assembly tools. The voluminous housing brings with it a correspondingly high weight. The weight advantage of aluminum compared to a highly resilient material is particularly clear in a turbine arranged close to the engine due to the comparatively high material usage.

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 order to be able to use more cost-effective materials for the production of the turbine, the turbine according to the prior art is equipped with cooling, for example with liquid cooling, which greatly reduces the thermal load on the turbine or the turbine housing caused by the hot exhaust gases and thus Use of less thermally resilient materials is possible.

In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen, der das Laufrad vollständig einhüllt, d. h. ummantelt. Eine Turbine mit einer derartigen Kühlung offenbart beispielsweise die gattungsbildende DE 10 2011 003 901 A1 .As a rule, to provide cooling, the turbine housing is provided with a coolant jacket that completely envelops, ie encases, the impeller. A turbine with such cooling, for example, reveals the generic type DE 10 2011 003 901 A1 .

Die DE 10 2010 005 492 A1 betrifft ein Spiralgehäuse, insbesondere ein Turbinen- oder Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers für ein Kraftfahrzeug. Ein separat zum Spiralgehäuse ausgebildetes Zungenelement ist vorgesehen, das fest mit dem Spiralgehäuse verbunden und aus einem verschleiß- und widerstandsfähigen Material ausgebildet ist. Hierdurch könne insbesondere die Widerstandsfähigkeit des Spiralgehäuses gesteigert werden.The DE 10 2010 005 492 A1 relates to a spiral casing, in particular a turbine or compressor housing of an exhaust gas turbocharger for a motor vehicle. One designed separately from the spiral casing A tongue element is provided, which is firmly connected to the spiral casing and is made of a wear-resistant and resistant material. In this way, the resistance of the spiral casing in particular can be increased.

Die DE 10 2004 025 049 A1 beschreibt einen Abgasturbolader mit einer Welle, die ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes Turbinenrad und ein Verdichterrad verbindet, und mit einer dazwischen angeordneten Lagerung mit einem Lagergehäuse und darin angeordneten Lagern für die Welle. Die Welle weist zwischen Turbinenrad und Lagerung wenigstens eine Wärmeisolierung auf, deren Wärmedurchlässigkeit geringer ist als die der an die Wärmeisolierung angrenzenden Bereiche der Welle und die den Wärmedurchgang durch die Welle behindert.The DE 10 2004 025 049 A1 describes an exhaust gas turbocharger with a shaft that connects a turbine wheel arranged in a turbine housing and a compressor wheel, and with a bearing arranged therebetween with a bearing housing and bearings for the shaft arranged therein. The shaft has at least one thermal insulation between the turbine wheel and the bearing, the thermal permeability of which is lower than that of the areas of the shaft adjacent to the thermal insulation and which hinders the heat transfer through the shaft.

Aus der WO 2010 / 039 590 A2 ist eine Abgassystemvorrichtung mit einem flüssigkeitsgekühlten Nichteisengehäuse bekannt geworden, das einen Flüssigkeitskühlkanal enthält und einen Weg für Abgas definiert, und einem Abgasströmungsisolator, der in dem Abgasweg des Gehäuses angeordnet ist, um Abgas durch das Gehäuse zu leiten und die Wärmeübertragung von Abgas auf das Gehäuse zu begrenzen.From the WO 2010 / 039 590 A2 There has been known an exhaust system device having a liquid-cooled nonferrous housing that includes a liquid cooling passage and defines a path for exhaust gas, and an exhaust gas flow insulator disposed in the exhaust path of the housing for directing exhaust gas through the housing and facilitating heat transfer from exhaust gas to the housing limit.

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 mit 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.Both concepts are known from the prior art in which the housing is a cast part and the coolant jacket is formed as an integral part of a monolithic housing as part of the casting process, as well as concepts in which the housing has a modular structure, whereby within the framework of Assembling a cavity is formed, which serves as a coolant jacket.

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.A turbine designed according to the latter concept is described, for example, in the German published patent application DE 10 2008 011 257 A1 . Liquid cooling of the turbine is formed in that the actual turbine housing is provided with casing, so that a cavity is formed between the casing and the at least one spaced formwork element into which coolant can be introduced. The housing, which is expanded by the casing, then includes the coolant jacket.

Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.The EP 1 384 857 A2 also discloses a turbine whose housing is equipped with a coolant jacket.

Die DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.The DE 10 2007 017 973 A1 describes a kit for forming a steam-cooled turbine casing.

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.Due to the high specific heat capacity of a liquid, in particular the water commonly used, large amounts of heat can be removed from the housing using liquid cooling. The heat is given off to the coolant inside the housing and dissipated with the coolant. The heat given off to the coolant is removed from the coolant again in a heat exchanger.

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.In principle, there is the possibility of equipping the liquid cooling of the turbine with a separate heat exchanger or - in the case of a liquid-cooled internal combustion engine - the heat exchanger of the engine cooling, i.e. H. The heat exchanger of another liquid cooling system can be used for this. The latter simply requires appropriate connections between both circuits.

Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40 kW 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.However, it should be taken into account in this context that the amount of heat to be absorbed by the coolant in the turbine can be 40 kW or more if materials with little thermal load, such as aluminum, are used to manufacture the housing. Removing such a large amount of heat from the coolant in the heat exchanger and dissipating it into the environment using air flow proves to be problematic.

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 eines Fahrzeuges, wo die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.Modern motor vehicle drives are equipped with powerful fan motors in order to provide the air mass flow required for a sufficiently high heat transfer to the heat exchangers. But another parameter that is crucial for the heat transfer, namely the surface area made available for the heat transfer, cannot be made or enlarged to any size, since the space available in the front end area of a vehicle, where the various heat exchangers are usually arranged are limited.

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.Modern motor vehicles often have - in addition to the heat exchanger for engine cooling - other heat exchangers, in particular cooling devices. An intercooler is often arranged on the intake side of a turbocharged internal combustion engine in order to contribute to better filling of the cylinders. In order to maintain a maximum permissible oil temperature, the heat dissipation via the oil pan due to heat conduction and natural convection is often no longer sufficient, so an oil cooler is provided in individual cases.

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 umfangreiche Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, unvermeidbar machen. 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.Modern internal combustion engines are also increasingly being equipped with exhaust gas recirculation. Exhaust gas recirculation is a measure to counteract the formation of nitrogen oxides. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required required, which make extensive cooling of the exhaust gas to be recirculated, ie compression of the exhaust gas through cooling, unavoidable. Further coolers can be provided, for example for cooling the transmission oil in automatic transmissions and/or for cooling hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used as part of hydraulically actuated adjustment devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger that has to give off heat to the environment during operation, so it requires a sufficiently high air flow and should therefore be arranged in the front end area.

Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.Due to the very limited space in the front-end area and the large number of heat exchangers, the individual heat exchangers cannot be dimensioned according to requirements.

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 de facto nicht gegeben.The possibility of arranging a sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of the turbine in the front-end area in order to be able to dissipate the high amounts of heat that arise when using materials with little thermal load is actually not possible.

Bei der konstruktiven Auslegung einer gekühlten Turbine ist daher ein Kompromiss zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich, wobei man grundsätzlich anstrebt, die Turbine nur in dem Umfang zu kühlen, den der verwendete Werkstoff tatsächlich erfordert, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich von der Abgastemperatur mitbestimmt wird, optimal nutzen zu können.When designing a cooled turbine, a compromise is therefore required between cooling performance and material, with the aim being to only cool the turbine to the extent that the material used actually requires in order to reduce the enthalpy of the hot exhaust gases, which is crucial which is determined by the exhaust gas temperature, can be used optimally.

Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist, insbesondere hinsichtlich des Werkstoffes und der Kühlung der Turbine.Against the background of what has been said, the object of the present invention is to provide an internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine according to the preamble of claim 1, which is optimized with regard to the turbine, in particular with regard to the material and the cooling of the turbine.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine, die mit einem Lagergehäuse verbunden ist, bei der

  • - die Radialturbine ein Turbinengehäuse, in dem ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal spiralförmig um das Laufrad erstreckt,
  • - das Lagergehäuse, welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle dient, an einer quer zur Welle verlaufenden Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, und
  • - das Lagergehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche in einem die Montage-Flanschfläche aufnehmenden und ausbildenden Flansch angeordnet ist, und
  • - das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelkanal aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal sich im Turbinengehäuse zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle erstreckt und auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist

und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel via mindestens einem Verbindungskanal verbunden ist, der geradlinig ist und parallel zur Welle verläuft, und welcher durch eine Gehäusezunge hindurchführt, welche das Turbinengehäuse am Ende des Abgas führenden Strömungskanals ausbildet, wobei im Turbinengehäuse kein Kühlmittelmantel vorgesehen ist, der das Laufrad einhüllt und ummantelt.This task is solved by an internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine, which is connected to a bearing housing
  • - the radial turbine comprises a turbine housing in which an impeller mounted on a rotatable shaft is arranged, a flow channel carrying exhaust gas extending spirally around the impeller in the housing starting from an exhaust gas inlet opening,
  • - the bearing housing, which serves to accommodate the rotatably mounted shaft, is connected to the turbine housing on a mounting flange surface running transversely to the shaft, and
  • - the bearing housing has at least one coolant jacket integrated in the bearing housing to form cooling, this at least one coolant jacket being arranged adjacent and spaced from the mounting flange surface in a flange receiving and forming the mounting flange surface, and
  • - the turbine housing has at least one coolant channel integrated in the turbine housing to form cooling, this at least one coolant channel extending at least in sections in a ring shape around the shaft in the turbine housing and being arranged on the side of the impeller facing away from the bearing housing

and which is characterized by the fact that
the at least one coolant channel integrated in the turbine housing is connected to the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing via at least one connecting channel which is straight and runs parallel to the shaft, and which passes through a housing tongue which forms the turbine housing at the end of the flow channel carrying exhaust gas, whereby There is no coolant jacket in the turbine housing that envelops and encases the impeller.

Erfindungsgemäß wird im Turbinengehäuse kein Kühlmittelmantel vorgesehen, der das Laufrad vollständig einhüllt, d. h. ummantelt, sondern lediglich ein Kühlmittelkanal, der sich im Gehäuse - zumindest abschnittsweise - ringförmig um die Welle erstreckt.According to the invention, no coolant jacket is provided in the turbine housing that completely envelops the impeller, i.e. H. encased, but only a coolant channel which extends in a ring shape around the shaft in the housing - at least in sections.

Ergänzt wird diese minimalistische Kühlung des Turbinengehäuses durch eine in einem Lagergehäuse vorgesehene Flüssigkeitskühlung. Das Lagergehäuse, welches der Aufnahme der Welle des Turbinenlaufrades dient, ist an einer Montage-Flanschfläche mit dem Turbinengehäuse verbunden, so dass der im Lagergehäuse benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche integrierte Kühlmittelmantel auch dem Turbinengehäuse via Montage-Flanschfläche Wärme entzieht.This minimalist cooling of the turbine housing is supplemented by liquid cooling provided in a bearing housing. The bearing housing, which serves to accommodate the shaft of the turbine impeller, is connected to the turbine housing at a mounting flange surface, so that the coolant jacket integrated in the bearing housing adjacent and spaced from the mounting flange surface also removes heat from the turbine housing via the mounting flange surface.

Da der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite des Laufrades angeordnet ist, wird der Abgas führende, sich spiralförmig um das Laufrad erstreckende Strömungskanal der Turbine von beiden Seiten, d. h. von beiden Seiten des Laufrades her, gekühlt.Since the at least one coolant channel integrated in the turbine housing is arranged on the side of the impeller facing away from the bearing housing, the exhaust gas-carrying flow channel of the turbine, which extends spirally around the impeller, is fed from both sides, i.e. H. from both sides of the impeller, cooled.

Eine möglichst großflächige Ummantelung des Laufrades mit Kühlmittel und damit eine möglichst große Wärmeabfuhr werden erfindungsgemäß nicht angestrebt. Vielmehr wird die Kühlleistung bewusst in Grenzen gehalten, indem zur Ausbildung einer Kühlung im Turbinengehäuse selbst lediglich ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist.According to the invention, the aim is not to cover the impeller with coolant over the largest possible area and thus to dissipate as much heat as possible. Rather, the cooling performance is deliberately kept within limits through training only one coolant channel is provided for cooling in the turbine housing itself.

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.This measure advantageously reduces or limits the maximum amount of heat to be dissipated. This eliminates the problem of having to dissipate very large amounts of heat absorbed by the coolant in the turbine.

Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen Turbine ein entsprechender Werkstoff zu wählen, nämlich Grauguss bzw. Stahlguss oder dergleichen. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine aus Grauguss gefertigt ist.Corresponding to the moderate cooling capacity, an appropriate material must be selected for the production of the turbine according to the invention, namely gray cast iron or cast steel or the like. Embodiments in which the turbine is made of gray cast iron are advantageous.

Einerseits ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da auch erfindungsgemäß die Turbine mit einer Kühlung ausgestattet wird, die für eine Temperaturabsenkung sorgt und die thermische Belastung des Materials vermindert, weshalb hochtemperaturfeste Werkstoffe entbehrlich sind.On the one hand, the concept according to the invention makes it possible to dispense with highly thermally resilient, in particular nickel-containing, materials for producing the turbine housing, since according to the invention the turbine is also equipped with a cooling system which ensures a temperature reduction and reduces the thermal load on the material, which is why high-temperature-resistant materials are unnecessary.

Andererseits ist die Kühlleistung nicht derart umfangreich dimensioniert, dass thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, eingesetzt werden könnten.On the other hand, the cooling capacity is not so extensive that materials with little thermal load, such as aluminum, could be used.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abgeführt werden müssten.The procedure according to the invention makes the use of cost-intensive materials unnecessary without excessive amounts of heat having to be dissipated in connection with the cooling of the turbine.

Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.This solves the problem on which the invention is based, namely to provide an internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine according to the preamble of claim 1, which is optimized with regard to the turbine.

Die Turbine ist erfindungsgemäß als Radialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Insofern kann die Radialturbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung.According to the invention, the turbine is designed as a radial turbine, i.e. H. the flow towards the blades is essentially radial. Essentially radial means that the speed component in the radial direction is greater than the axial speed component. The velocity vector of the flow intersects the shaft or axis of the turbine at a right angle if the flow is exactly radial. In this respect, the radial turbine can also be designed in the mixed-flow design, as long as the speed component in the radial direction is greater than the speed component in the axial direction.

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.In order to be able to flow radially onto the rotor blades, the inlet area for supplying the exhaust gas is often designed as a spiral or screw casing running all the way around, so that the inflow of the exhaust gas to the turbine is essentially radial.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Turbinengehäuse ein Gussteil ist. Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne lässt sich die komplexe Struktur des Gehäuses in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung des Gehäuses und die Montage erforderlich sind, um die Turbine auszubilden.Embodiments in which the turbine housing is a cast part are advantageous. By casting and using appropriate cores, the complex structure of the housing can be formed in one operation, so that only post-processing of the housing and assembly are then required to form the turbine.

Vorteilhaft können auch Ausführungsformen sein, bei denen die Turbine eine zweiflutige Turbine ist, die einen Eintrittsbereich mit zwei Abgaseintrittsöffnungen und zwei Abgas führenden Strömungskanälen aufweist, wobei die Abgasleitungen der Brennkraftmaschine gruppenweise mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass die Zusammenführung der Abgasströme - wenn überhaupt - stromabwärts der Turbine erfolgt. 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.Embodiments can also be advantageous in which the turbine is a double-flow turbine, which has an inlet area with two exhaust gas inlet openings and two exhaust gas-carrying flow channels, the exhaust pipes of the internal combustion engine being connected in groups to the double-flow turbine in such a way that the merging of the exhaust gas streams - if at all - takes place downstream of the turbine. If the exhaust pipes are grouped in such a way that the high pressures, in particular the pre-exhaust surges, can be maintained, a double-flow turbine is particularly suitable for surge supercharging, which means that high turbine pressure ratios can also be achieved at low speeds.

Die eingesetzte Radialturbine 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. Die Leitschaufeln sind stationär, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.The radial turbine used can be equipped with a variable turbine geometry, which allows further adaptation to the respective operating point of an internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. Guide vanes are arranged in the inlet area of the turbine to influence the direction of flow. In contrast to the blades of the rotating impeller, the guide blades do not rotate with the shaft of the turbine. The guide vanes are stationary, but not completely immovable, but can be rotated about their axis so that the flow to the blades can be influenced.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the subclaims are discussed below.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich beabstandet zum und seitlich vom Abgas führenden Strömungskanal erstreckt und dies zumindest über einen vorgebbaren Winkelbereich. Vorteilhafterweise folgt der mindestens eine integrierte Kühlmittelkanal dabei - zumindest teilweise - der Kontur des Abgas führenden Strömungskanals, um möglichst nahe an der Wärmequelle zu verlaufen.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the at least one coolant channel extends at a distance from and to the side of the exhaust gas flow channel and this at least over a predeterminable angular range. The at least one integrated coolant channel advantageously follows - at least partially - the contour of the exhaust gas flow channel in order to run as close as possible to the heat source.

Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal sich umfänglich um und beabstandet zu dem Abgas führenden Strömungskanal erstreckt. Am äußeren Umfang des Strömungskanals erfolgt nämlich die Umlenkung des Abgases in Umfangsrichtung, weshalb in diesem Bereich der abgasseitigen Begrenzungswand die thermische Belastung infolge Wärmekonvektion am größten ist.However, embodiments of the internal combustion engine in which the at least one coolant channel extends circumferentially around and at a distance from the flow channel leading to the exhaust gas can also be advantageous. The exhaust gas is deflected in the circumferential direction at the outer circumference of the flow channel, which is why the thermal load due to heat convection is greatest in this area of the exhaust-side boundary wall.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der größte äußere radiale Abstand des mindestens einen Kühlmittelkanals von der Welle größer ist als der größte äußere radiale Abstand des Abgas führenden Strömungskanals von der Welle.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine in which the greatest outer radial distance of the at least one coolant channel from the shaft is greater than the greatest outer radial distance of the exhaust gas-carrying flow channel from the shaft.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel sich entlang des Laufrades erstreckt und ausgerichtet ist, d. h. mit der Kontur des Laufrades korrespondiert.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing extends and is aligned along the impeller are advantageous, i.e. H. corresponds to the contour of the impeller.

Vorteilhaft ist dies, da ein großflächiger Kühlmittelmantel in unmittelbarer Nähe zum Laufrad und die damit verbundene Kühlung des Abgases während der Expansion den direkten Wärmeeintrag in weite Gehäuseteile unterbindet und dem Abgas Wärme via Montage-Flanschfläche entzieht.This is advantageous because a large-area coolant jacket in the immediate vicinity of the impeller and the associated cooling of the exhaust gas during expansion prevents direct heat input into large parts of the housing and extracts heat from the exhaust gas via the mounting flange surface.

Die Effizienz der Flüssigkeitskühlung kann durch die Anordnung des mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantels in unmittelbarer Nähe zum Laufrad deutlich erhöht werden im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der der Kühlmittelmantel nicht benachbart zum Laufrad und damit zum Abgasstrom vorgesehen ist.The efficiency of liquid cooling can be significantly increased by arranging the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing in the immediate vicinity of the impeller compared to an embodiment in which the coolant jacket is not provided adjacent to the impeller and thus to the exhaust gas flow.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eignet sich insbesondere für eine Abgasturboaufladung, bei der die mindestens eine Turbine aufgrund der hohen Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet ist und daher eine Kühlung der Turbine besonders vorteilhaft ist.The internal combustion engine according to the invention is particularly suitable for exhaust gas turbocharging, in which the at least one turbine is subjected to particularly high thermal loads due to the high exhaust gas temperatures and cooling of the turbine is therefore particularly advantageous.

Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die Radialturbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.Embodiments in which the radial turbine is part of an exhaust gas turbocharger are therefore also advantageous.

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.The primary purpose of charging is to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, meaning that a larger air mass can be supplied to each cylinder per working cycle. This allows the fuel mass and thus the mean pressure to be increased.

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, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.Supercharging is a suitable means of increasing the performance of an internal combustion engine while keeping the displacement unchanged, or reducing the displacement while maintaining the same output. In any case, charging leads to an increase in the installation space and a more favorable power mass. With the same vehicle conditions, the load spectrum can be shifted towards higher loads, where the specific fuel consumption is lower.

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.Compared to a mechanical charger, the advantage of an exhaust gas turbocharger is that no mechanical connection for power transmission between the charger and the internal combustion engine exists or is required. While a mechanical supercharger draws the energy required to drive it directly from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust energy of the hot exhaust gases.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust pipes of the cylinders merge to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head to form at least one overall exhaust pipe are advantageous.

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.It should be taken into account that the basic aim is to arrange the turbine, in particular the turbine of an exhaust gas turbocharger, as close as possible to the outlet of the cylinders in order to be able to optimally use the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature and to ensure a quick response of the turbine or turbocharger. Furthermore, the path of the hot exhaust gases to the various exhaust gas aftertreatment systems should be as short as possible so that the exhaust gases are given little time to cool down and the exhaust gas aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off temperature as quickly as possible, especially after a cold start of the internal combustion engine.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es sinnvoll, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammen zu führen. 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.In order to achieve this goal, it makes sense to bring the exhaust pipes together to form at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head. On the one hand, the line volume, i.e. H. the exhaust gas volume of the exhaust pipes upstream of the turbine is reduced, so that the response of the turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases at the turbine inlet increases, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the turbine inlet is also higher.

Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.The combination of the exhaust pipes within the cylinder head also allows for tight packaging of the drive unit.

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.However, a cylinder head designed in this way is subject to higher thermal loads than a conventional cylinder head that is equipped with an external manifold and therefore places increased demands on cooling.

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.The heat released during combustion by the exothermic, chemical conversion of the fuel is partially dissipated via the walls delimiting the combustion chamber to the cylinder head and the cylinder block and partially via the exhaust gas flow to the adjacent components and the environment. In order to keep the thermal load on the cylinder head within limits, part of the heat flow introduced into the cylinder head must be removed from the cylinder head again.

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.Due to the significantly higher heat capacity of liquids compared to air, significantly larger amounts of heat can be dissipated with liquid cooling than with air cooling, which is why cylinder heads of the type in question are advantageously equipped with liquid cooling.

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 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.Liquid cooling requires the cylinder head to be equipped with at least one coolant jacket, i.e. H. the arrangement of coolant channels leading the coolant through the cylinder head, which requires a complex structure of the cylinder head construction. On the one hand, the mechanically and thermally stressed cylinder head is weakened in its strength by the introduction of the coolant channels. On the other hand, the heat does not have to be directed to the cylinder head surface in order to be dissipated, as is the case with air cooling. The heat is transferred to the coolant inside the cylinder head. The coolant is pumped using a pump arranged in the cooling circuit so that it circulates in the coolant jacket. In this way, the heat given off to the coolant is removed from the interior of the cylinder head and removed from the coolant again in a heat exchanger.

Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der EP 1 722 090 A2 beschrieben ist, verzichtet werden kann.Preferably, the cooling capacity should be so high that enrichment (λ < 1) can be used to reduce the exhaust gas temperatures, as is the case, for example EP 1 722 090 A2 described can be omitted.

Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.Liquid cooling proves to be particularly advantageous for turbocharged engines, as the thermal load on turbocharged engines is significantly higher compared to conventional internal combustion engines.

Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sind, bei denen der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.From what has been said above, it follows that embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the cylinder head is equipped with at least one coolant jacket integrated in the cylinder head to form liquid cooling.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses und/oder dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbunden ist. Dann müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf des Turbinengehäuses bzw. des Lagergehäuses 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 in den Gehäusen an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.Embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the at least one coolant jacket integrated in the cylinder head is connected to the at least one coolant channel of the turbine housing and/or the at least one coolant jacket of the bearing housing. Then the remaining components and units required to form a cooling circuit must basically only be provided in simple form, since these can be used both for the cooling circuit of the turbine housing or bearing housing and for that of the cylinder head, which leads to synergies and significant cost savings. but also brings with it a weight saving. Preferably only one pump for conveying the coolant and one container for storing the coolant are provided. The heat given off to the coolant in the cylinder head and in the housings can be removed from the coolant in a common heat exchanger.

Bei Brennkraftmaschinen, die zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelkreislauf ausgestattet sind, sind grundsätzlich Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. Der Kühlmittelmantel des Lagergehäuses kann dann via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden, so dass keine weiteren Kühlmittelzuführ- und Abführöffnungen vorgesehen werden müssen und auch auf weitere Kühlmittelleitungen verzichtet werden kann, insbesondere falls der im Lagergehäuse integrierte Kühlmittelmantel via im Turbinengehäuse integriertem Kühlmittelkanal mit Kühlmittel versorgt wird bzw. umgekehrt.In the case of internal combustion engines that are equipped with a coolant circuit to form liquid cooling, embodiments in which the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing is connected to the coolant circuit of the internal combustion engine are generally advantageous. The coolant jacket of the bearing housing can then be supplied with coolant via the cylinder head, so that no further coolant supply and discharge openings need to be provided and further coolant lines can also be dispensed with, in particular if the coolant jacket integrated in the bearing housing is supplied with coolant via the coolant channel integrated in the turbine housing or vice versa.

Wie bereits oben erwähnt, ist der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelkanal mit dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel via mindestens einem Verbindungskanal verbunden wobei der Verbindungskanal parallel zur Welle verläuft.As already mentioned above, the at least one coolant channel integrated in the turbine housing is connected to the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing via at least one connecting channel, the connecting channel running parallel to the shaft.

Vorzugsweise ist der Verbindungskanal in das Turbinengehäuse bzw. das Lagergehäuse integriert. Die Integration vermindert den erforderlichen Bauraum und vermindert bzw. eliminiert die Gefahr einer Leckage von Kühlmittel durch Vermeidung von Anschlüssen, d. h. durch Vermeidung von Verbindungen und von Kanalunterbrechungen.The connecting channel is preferably integrated into the turbine housing or the bearing housing. The integration reduces the required installation space and reduces or eliminates the risk of coolant leakage by avoiding it of connections, ie by avoiding connections and channel interruptions.

Ein geradliniger, insbesondere parallel zur Welle verlaufender, Verbindungskanal lässt sich auch durch Nachbearbeitung, beispielsweise Bohren, in die Gehäuse einbringen, wobei ein offenes Ende des Kanals mit einem Stöpsel verschlossen werden oder auch als Kühlmitteleintritt oder -austritt dienen kann.A straight connecting channel, in particular running parallel to the shaft, can also be introduced into the housing by post-processing, for example drilling, whereby an open end of the channel can be closed with a plug or can also serve as a coolant inlet or outlet.

Der Verbindungskanal kann dabei gezielt durch Teile, d. h. Bereiche, des Turbinengehäuses bzw. Lagergehäuses gelegt werden, die thermisch besonders stark belastet sind, so dass der Kanal nicht nur den Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses mit dem Kühlmittelmantel des Lagergehäuses verbindet, sondern auch das den Kanal begrenzende Gehäusematerial und die zum Kanal benachbarten Bereiche kühlt.The connecting channel can be specifically replaced by parts, i.e. H. Areas of the turbine housing or bearing housing are placed that are subject to particularly high thermal loads, so that the channel not only connects the coolant channel of the turbine housing with the coolant jacket of the bearing housing, but also cools the housing material delimiting the channel and the areas adjacent to the channel.

Diese Kühlung kann zusätzlich und in vorteilhafter Weise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem Kühlmittelkanal und dem Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in dem mindestens einen Verbindungskanal erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt. Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kanal.This cooling can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the coolant channel and the coolant jacket, which in turn increases the speed in the at least one connecting channel, which leads to increased heat transfer due to convection. Such a pressure gradient also offers advantages as a driving force to promote the coolant through the channel.

Wie ober beschrieben führt der mindestens eine Verbindungskanal durch eine Gehäusezunge hindurch, welche das Turbinengehäuse am Ende des Abgas führenden Strömungskanals ausbildet. Diese Zunge wird auf beiden Seiten vom heißen Abgasstrom thermisch beansprucht, nämlich am Ende des Strömungskanals und stromaufwärts des Strömungskanals im Eintrittsbereich der Turbine, wobei das freie Ende der Zunge dem Laufrad gegenüberliegt und daher ebenfalls mit heißen Abgas beaufschlagt ist.As described above, the at least one connecting channel leads through a housing tongue, which forms the turbine housing at the end of the flow channel carrying exhaust gas. This tongue is thermally stressed on both sides by the hot exhaust gas stream, namely at the end of the flow channel and upstream of the flow channel in the inlet area of the turbine, the free end of the tongue being opposite the impeller and therefore also exposed to hot exhaust gas.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Flansch einen Durchmesser DFl hat mit DFl ≥ 70 mm.Embodiments of the internal combustion engine in which the flange has a diameter D Fl with D Fl ≥ 70 mm are advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Flansch einen Durchmesser DFl hat mit DFl ≥ 85 mm.Embodiments of the internal combustion engine in which the flange has a diameter D Fl with D Fl ≥ 85 mm are advantageous.

Der Flansch der beiden vorstehenden Ausführungsformen hat einen deutlich größeren Durchmesser als ein Flansch nach dem Stand der Technik, der einen Durchmesser DFl ≈ 40 ... 60 mm aufweist.The flange of the two above embodiments has a significantly larger diameter than a flange according to the prior art, which has a diameter D Fl ≈ 40 ... 60 mm.

Dies unterstützt die Funktion des Lagergehäuses als zusätzliche Kühlung für das Turbinengehäuse. Der Wärmeentzug aus dem Turbinengehäuse via Montage-Flanschfläche wird nämlich durch Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche gesteigert.This supports the function of the bearing housing as additional cooling for the turbine housing. The heat extraction from the turbine housing via the mounting flange surface is increased by increasing the heat-transferring surface.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in die Montage-Flanschfläche des Turbinengehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one recess is recessed into the mounting flange surface of the turbine housing are advantageous.

Vorliegend wird im Turbinengehäuse mindestens eine Ausnehmung vorgesehen, die als Wärmebarriere fungiert und den direkten Wärmefluss zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse erschwert und dadurch mindert bzw. den Wärmefluss gezielt leitet, nämlich um die mindestens eine Ausnehmung herum. Über die konstruktive Ausgestaltung der mindestens einen Ausnehmung, insbesondere die Formgebung und die Anordnung, kann Einfluss genommen werden auf die Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung im Gehäuse. So können auch mehrere Ausnehmungen auf einem Ring um die Welle des Laufrades herum angeordnet werden. Die Tatsache, dass die Ausnehmung zur Montage-Flanschfläche hin offen ist, vereinfacht die Ausbildung, d. h. die Fertigung der Ausnehmung, die mit dem Gehäuse im Gießverfahren oder aber später durch Nachbearbeiten ausgebildet werden kann.In the present case, at least one recess is provided in the turbine housing, which acts as a heat barrier and makes the direct heat flow between the bearing housing and the turbine housing more difficult and thereby reduces it or directs the heat flow in a targeted manner, namely around the at least one recess. The structural design of the at least one recess, in particular the shape and the arrangement, can influence the heat flows and thus the temperature distribution in the housing. This means that several recesses can be arranged on a ring around the shaft of the impeller. The fact that the recess is open to the mounting flange surface simplifies training, i.e. H. the production of the recess, which can be formed with the housing using the casting process or later through post-processing.

Die mindestens eine Ausnehmung führt zu einem verminderten Wärmefluss aus Gehäusebereichen, die zwischen dem Strömungskanal und der Ausnehmung liegen. Gleichzeitig vergrößert sich der Wärmefluss über an der Ausnehmung vorbeiführende Stege, beispielsweise aus Gehäusebereichen, die sich auf einem äußeren Umfang umfänglich um und beabstandet zu dem Abgas führenden Strömungskanal erstrecken. Es sind genau diese Gehäusebereiche, die infolge der permanenten Umlenkung des Abgasstroms am äußeren Umfang des Strömungskanals thermisch besonders belastet sind.The at least one recess leads to a reduced heat flow from housing areas that lie between the flow channel and the recess. At the same time, the heat flow increases via webs leading past the recess, for example from housing areas, which extend circumferentially on an outer circumference and at a distance from the flow channel leading to the exhaust gas. It is precisely these housing areas that are particularly thermally stressed due to the permanent deflection of the exhaust gas flow on the outer circumference of the flow channel.

Das Vorsehen der mindestens einen Ausnehmung trägt auch zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung im Gehäuse bei und damit zu einem Abbau der nach dem Stand der Technik üblicherweise im Gehäuse auftretenden Temperaturgefälle, ohne dass eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen vorgesehen bzw. der Kühlmittelkanal als großflächiger Kühlmittelmantel ausgebildet werden müsste, was mit unvorteilhaft großen abzuführenden Wärmemengen verbunden wäre, die grundsätzlich als problematisch anzusehen sind.The provision of the at least one recess also contributes to a homogenization of the temperature distribution in the housing and thus to a reduction in the temperature gradients that usually occur in the housing according to the prior art, without a large number of coolant channels having to be provided or the coolant channel having to be designed as a large-area coolant jacket , which would be associated with disadvantageously large amounts of heat to be dissipated, which is fundamentally problematic.

Vorteilhaft sind vorliegend Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Ausnehmung im Turbinengehäuse dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel - parallel zur Welle gesehen - gegenüberliegt. Parallel zur Welle gesehen bedeutet in diesem Zusammenhang in Richtung einer Parallelen der Welle gesehen.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one recess in the turbine housing lies opposite the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing - seen parallel to the shaft - are advantageous in the present case. Seen parallel to the wave means in this context seen in the direction of a parallel of the wave.

Die mindestens eine Ausnehmung kann im Rahmen der Montage mit Luft oder einem anderen Material gefüllt werden.The at least one recess can be filled with air or another material during assembly.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in die Montage-Flanschfläche des Lagergehäuses mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one recess is embedded in the mounting flange surface of the bearing housing are advantageous.

Vorteilhaft sind auch dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Ausnehmung im Lagergehäuse dem mindestens einen im Lagergehäuse integrierten Kühlmittelmantel - parallel zur Welle gesehen - gegenüberliegt.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine in which the at least one recess in the bearing housing is opposite the at least one coolant jacket integrated in the bearing housing - viewed parallel to the shaft.

Das im Zusammenhang mit der mindestens einen im Turbinengehäuse angeordneten Ausnehmung Gesagte gilt in analoger Weise.What has been said in connection with the at least one recess arranged in the turbine housing applies in an analogous manner.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

  • 1 die flüssigkeitsgekühlte mit einem Lagergehäuse verbundene Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt entlang der Welle des Turbinenlaufrades.
The invention is explained below using an exemplary embodiment 1 described in more detail. This shows:
  • 1 the liquid-cooled turbine connected to a bearing housing of a first embodiment of the internal combustion engine in a section along the shaft of the turbine impeller.

1 zeigt die flüssigkeitsgekühlte mit einem Lagergehäuse 3a verbundene Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt entlang der Welle 4a des Turbinenlaufrades 4. 1 shows the liquid-cooled turbine 1 of a first embodiment of the internal combustion engine connected to a bearing housing 3a in a section along the shaft 4a of the turbine impeller 4.

Die Turbine 1 ist eine Radialturbine 2, welche ein Turbinengehäuse 2a und ein in diesem Turbinengehäuse 2a angeordnetes und auf einer drehbaren Welle 4a gelagertes Laufrad 4 umfasst. Die Welle 4a selbst ist in dem Lagergehäuse 3a einer Lagerung 3 drehbar gelagert. Das Lagergehäuse 3a ist hierzu mittels Flansch 6 an einer quer zur Welle 4a verlaufenden Montage-Flanschfläche 6a mit dem Turbinengehäuse 2a verbunden. Die dazugehörenden Schraubenverbindungen sind nicht dargestellt.The turbine 1 is a radial turbine 2, which includes a turbine housing 2a and an impeller 4 arranged in this turbine housing 2a and mounted on a rotatable shaft 4a. The shaft 4a itself is rotatably mounted in the bearing housing 3a of a bearing 3. For this purpose, the bearing housing 3a is connected to the turbine housing 2a by means of a flange 6 on a mounting flange surface 6a that runs transversely to the shaft 4a. The associated screw connections are not shown.

Damit das Abgas die Laufschaufeln des Laufrades 4 radial anströmen kann, ist das Turbinengehäuse 2a als rund um das Laufrad 4 verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet, bei dem sich ein Abgas führender Strömungskanal 5 ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung spiralförmig um das Laufrad 4 erstreckt.So that the exhaust gas can flow radially towards the blades of the impeller 4, the turbine housing 2a is designed as a spiral housing running around the impeller 4, in which a flow channel 5 carrying exhaust gas extends spirally around the impeller 4 starting from an exhaust gas inlet opening.

Zur Ausbildung einer Kühlung weist das Turbinengehäuse 2a einen integrierten Kühlmittelkanal 2b auf, der sich im Tumbinengehäuse 2a ringförmig um die Welle 4a erstreckt. Der Kühlmittelkanal 2b ist dabei auf der dem Lagergehäuse 3a abgewandten Seite des Laufrades 4 angeordnet.To provide cooling, the turbine housing 2a has an integrated coolant channel 2b, which extends in a ring shape around the shaft 4a in the turbine housing 2a. The coolant channel 2b is arranged on the side of the impeller 4 facing away from the bearing housing 3a.

Das Lagergehäuse 3a weist zur Ausbildung einer Kühlung einen im Lagergehäuse 3a integrierten Kühlmittelmantel 3b auf, der benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche 6a im Flansch 6 angeordnet ist und auch der zusätzlichen Kühlung des Turbinengehäuses 2a dient.To provide cooling, the bearing housing 3a has a coolant jacket 3b integrated in the bearing housing 3a, which is arranged adjacent and spaced from the mounting flange surface 6a in the flange 6 and also serves for additional cooling of the turbine housing 2a.

Der im Turbinengehäuse 2a integrierte Kühlmittelkanal 2b ist via Verbindungskanal 7 mit dem im Lagergehäuse 3a integrierten Kühlmittelmantel 3b verbunden, wobei der in den Gehäusen (Turbinengehäuse 2a; Lagergehäuse 3a) integrierte Verbindungskanal 7 bei der in 1 dargestellten Ausführungsform geradlinig und parallel zur Welle 4a verläuft.The coolant channel 2b integrated in the turbine housing 2a is connected via a connecting channel 7 to the coolant jacket 3b integrated in the bearing housing 3a, with the connecting channel 7 integrated in the housings (turbine housing 2a; bearing housing 3a) at the in 1 illustrated embodiment runs straight and parallel to the shaft 4a.

Der Verbindungskanal 7 ist vorliegend durch Bohren in die Gehäuse (Turbinengehäuse 2a; Lagergehäuse 3a) eingebracht worden. Das offene Ende des Kanals 7 wurde mit einem Stöpsel 7a verschlossen, um den Austritt von Kühlmittel, d. h. eine Leckage, sicher zu verhindern.In the present case, the connecting channel 7 has been introduced into the housing (turbine housing 2a; bearing housing 3a) by drilling. The open end of the channel 7 was closed with a plug 7a to prevent the escape of coolant, i.e. H. a leak can be safely prevented.

In die Montage-Flanschfläche 6a des Turbinengehäuses 2a sind zwei Ausnehmungen 2c in Gestalt von Taschen eingelassen, die dem Kühlmittelmantel 3b des Lagergehäuses 3a gegenüberliegen, als Wärmebarriere fungieren, zu einem verminderten Wärmefluss aus Gehäusebereichen zwischen dem Strömungskanal 5 und den Ausnehmungen 2c führen und insbesondere den Wärmefluss aus Gehäusebereichen am äußeren Umfang des Strömungskanals 5 über einen an den Ausnehmungen 2c vorbeiführenden Steg fördern, d. h. vergrößern.Two recesses 2c in the form of pockets are embedded in the mounting flange surface 6a of the turbine housing 2a, which lie opposite the coolant jacket 3b of the bearing housing 3a, act as a heat barrier, lead to a reduced heat flow from housing areas between the flow channel 5 and the recesses 2c and in particular Promote heat flow from housing areas on the outer circumference of the flow channel 5 via a web leading past the recesses 2c, i.e. H. enlarge.

BezugszeichenReference symbols

11
Turbineturbine
22
RadialturbineRadial turbine
2a2a
TurbinengehäuseTurbine housing
2b2 B
KühlmittelkanalCoolant channel
2c2c
Ausnehmungrecess
33
Lagerungstorage
3a3a
Lagergehäusebearing housing
3b3b
Kühlmittelmantelcoolant jacket
44
LaufradWheel
4a4a
WelleWave
55
Abgas führender StrömungskanalExhaust gas flow channel
66
Flanschflange
6a6a
Montage-FlanschflächeMounting flange surface
77
Verbindungskanalconnection channel
7a7a
Stöpselplug

Claims (12)

Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Radialturbine (2), die mit einem Lagergehäuse (3a) verbunden ist, bei der - die Radialturbine (2) ein Turbinengehäuse (2a), in dem ein auf einer drehbaren Welle (4a) gelagertes Laufrad (4) angeordnet ist, umfasst, wobei sich im Gehäuse (2a) ausgehend von einer Abgaseintrittsöffnung ein Abgas führender Strömungskanal (5) spiralförmig um das Laufrad (4) erstreckt, - das Lagergehäuse (3a), welches zur Aufnahme der drehbar gelagerten Welle (4a) dient, an einer quer zur Welle (4a) verlaufenden Montage-Flanschfläche (6a) mit dem Turbinengehäuse (2a) verbunden ist, und - das Lagergehäuse (3a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelmantel (3b) benachbart und beabstandet zur Montage-Flanschfläche (6a) in einem die Montage-Flanschfläche (6a) aufnehmenden und ausbildenden Flansch (6) angeordnet ist, und - das Turbinengehäuse (2a) zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Turbinengehäuse (2a) integrierten Kühlmittelkanal (2b) aufweist, wobei dieser mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich im Turbinengehäuse (2a) zumindest abschnittsweise ringförmig um die Welle (4a) erstreckt und auf der dem Lagergehäuse (3a) abgewandten Seite des Laufrades (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Turbinengehäuse (2a) integrierte Kühlmittelkanal (2b) mit dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) via mindestens einem Verbindungskanal (7) verbunden ist, der geradlinig ist und parallel zur Welle (4a) verläuft, und welcher durch eine Gehäusezunge hindurchführt, welche das Turbinengehäuse (2a) am Ende des Abgas führenden Strömungskanals (5) ausbildet, wobei im Turbinengehäuse (2a) kein Kühlmittelmantel vorgesehen ist, der das Laufrad (4) einhüllt und ummantelt.Internal combustion engine with a liquid-cooled radial turbine (2), which is connected to a bearing housing (3a), in which - the radial turbine (2) has a turbine housing (2a), in which an impeller (4) mounted on a rotatable shaft (4a) is arranged, comprises, wherein in the housing (2a), starting from an exhaust gas inlet opening, an exhaust gas-carrying flow channel (5) extends spirally around the impeller (4), - the bearing housing (3a), which serves to accommodate the rotatably mounted shaft (4a), on one Mounting flange surface (6a) running transversely to the shaft (4a) is connected to the turbine housing (2a), and - the bearing housing (3a) has at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) to form cooling, this at least a coolant jacket (3b) is arranged adjacent and spaced from the mounting flange surface (6a) in a flange (6) which receives and forms the mounting flange surface (6a), and - the turbine housing (2a) to form cooling at least one in the turbine housing ( 2a) has an integrated coolant channel (2b), this at least one coolant channel (2b) extending at least in sections in a ring shape around the shaft (4a) in the turbine housing (2a) and being arranged on the side of the impeller (4) facing away from the bearing housing (3a). , characterized in that the at least one coolant channel (2b) integrated in the turbine housing (2a) is connected to the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) via at least one connecting channel (7), which is straight and parallel to the shaft ( 4a), and which passes through a housing tongue which forms the turbine housing (2a) at the end of the exhaust gas-carrying flow channel (5), with no coolant jacket being provided in the turbine housing (2a), which envelops and encases the impeller (4). Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal (2b) sich beabstandet zum und seitlich vom Abgas führenden Strömungskanal (5) erstreckt.Internal combustion engine Claim 1 , characterized in that the at least one coolant channel (2b) extends at a distance from and to the side of the flow channel (5) leading to the exhaust gas. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der größte äußere radiale Abstand des mindestens einen Kühlmittelkanals (2b) von der Welle (4a) größer ist als der größte äußere radiale Abstand des Abgas führenden Strömungskanals (5) von der Welle (4a).Internal combustion engine Claim 1 or 2 , characterized in that the largest outer radial distance of the at least one coolant channel (2b) from the shaft (4a) is greater than the largest outer radial distance of the exhaust gas-carrying flow channel (5) from the shaft (4a). Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Lagergehäuse (3a) integrierte Kühlmittelmantel (3b) sich entlang des Laufrades (4) erstreckt und ausgerichtet ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) extends along the impeller (4) and is aligned. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, welche zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlmittelkreislauf ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Lagergehäuse (3a) integrierte Kühlmittelmantel (3b) mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, which is equipped with a coolant circuit to form liquid cooling, characterized in that the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) is connected to the coolant circuit of the internal combustion engine. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (6) einen Durchmesser DFl hat mit DFl ≥ 70 mm.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the flange (6) has a diameter D Fl with D Fl ≥ 70 mm. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (6) einen Durchmesser DFl hat mit DFl ≥ 85 mm.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the flange (6) has a diameter D Fl with D Fl ≥ 85 mm. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Montage-Flanschfläche (6a) des Turbinengehäuses (2a) mindestens eine Ausnehmung (2c) eingelassen ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one recess (2c) is embedded in the mounting flange surface (6a) of the turbine housing (2a). Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung (2c) im Turbinengehäuse (2a) dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) - parallel zur Welle (4a) gesehen - gegenüberliegt.Internal combustion engine Claim 8 , characterized in that the at least one recess (2c) in the turbine housing (2a) lies opposite the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) - seen parallel to the shaft (4a). Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Montage-Flanschfläche (6a) des Lagergehäuses (3a) mindestens eine Ausnehmung eingelassen ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one recess is embedded in the mounting flange surface (6a) of the bearing housing (3a). Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung im Lagergehäuse (3a) dem mindestens einen im Lagergehäuse (3a) integrierten Kühlmittelmantel (3b) - parallel zur Welle (4a) gesehen - gegenüberliegt.Internal combustion engine Claim 10 , characterized in that the at least one recess in the bearing housing (3a) lies opposite the at least one coolant jacket (3b) integrated in the bearing housing (3a) - seen parallel to the shaft (4a). Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (2) Bestandteil eines Abgasturboladers ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine (2) is part of an exhaust gas turbocharger.
DE102014201732.7A 2013-02-28 2014-01-31 Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine Active DE102014201732B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014201732.7A DE102014201732B4 (en) 2013-02-28 2014-01-31 Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013203371.0 2013-02-28
DE102013203371 2013-02-28
DE102014201732.7A DE102014201732B4 (en) 2013-02-28 2014-01-31 Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102014201732A1 DE102014201732A1 (en) 2014-08-28
DE102014201732B4 true DE102014201732B4 (en) 2024-03-28

Family

ID=51349662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014201732.7A Active DE102014201732B4 (en) 2013-02-28 2014-01-31 Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014201732B4 (en)
RU (1) RU150652U1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1384857A2 (en) 2002-07-26 2004-01-28 Weber Motor AG Turbine housing for internal combustion engine with turbocharger and method for cooling an internal combustion engine with turbocharger
DE102004025049A1 (en) 2004-05-18 2005-12-15 Forschungszentrum Jülich GmbH turbocharger
EP1722090A2 (en) 1998-12-01 2006-11-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Cylinder head structure in multi-cylinder engine
DE102007017973A1 (en) 2006-04-07 2008-01-24 General Electric Company Steam-cooled turbine casing with closed circuit
DE102008011257A1 (en) 2008-02-27 2009-09-10 Continental Automotive Gmbh Chilled turbine housing
WO2010039590A2 (en) 2008-10-01 2010-04-08 Borgwarner Inc. Exhaust flow insulator for an exhaust system device
DE102010005492A1 (en) 2010-01-23 2011-07-28 Bosch Mahle Turbo Systems GmbH & Co. KG, 70376 Spiral housing e.g. turbine housing, for supercharger of motor car, has tongue element made of wear- and resistant materials and firmly connected with housing, and channel structure connected with cooling system
DE102011003901A1 (en) 2011-02-10 2012-08-16 Continental Automotive Gmbh Exhaust gas turbocharger with cooled turbine housing and cooled bearing housing and common coolant supply

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1722090A2 (en) 1998-12-01 2006-11-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Cylinder head structure in multi-cylinder engine
EP1384857A2 (en) 2002-07-26 2004-01-28 Weber Motor AG Turbine housing for internal combustion engine with turbocharger and method for cooling an internal combustion engine with turbocharger
DE102004025049A1 (en) 2004-05-18 2005-12-15 Forschungszentrum Jülich GmbH turbocharger
DE102007017973A1 (en) 2006-04-07 2008-01-24 General Electric Company Steam-cooled turbine casing with closed circuit
DE102008011257A1 (en) 2008-02-27 2009-09-10 Continental Automotive Gmbh Chilled turbine housing
WO2010039590A2 (en) 2008-10-01 2010-04-08 Borgwarner Inc. Exhaust flow insulator for an exhaust system device
DE102010005492A1 (en) 2010-01-23 2011-07-28 Bosch Mahle Turbo Systems GmbH & Co. KG, 70376 Spiral housing e.g. turbine housing, for supercharger of motor car, has tongue element made of wear- and resistant materials and firmly connected with housing, and channel structure connected with cooling system
DE102011003901A1 (en) 2011-02-10 2012-08-16 Continental Automotive Gmbh Exhaust gas turbocharger with cooled turbine housing and cooled bearing housing and common coolant supply

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014201732A1 (en) 2014-08-28
RU150652U1 (en) 2015-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011002554A1 (en) Internal combustion engine with cylinder head and turbine
DE102010038055A1 (en) Internal combustion engine with liquid cooling
DE102014218587B4 (en) Supercharged internal combustion engine with a liquid-coolable turbine and method for controlling the cooling of this turbine
DE102010037378A1 (en) Cylinder head with turbine
DE102011002759A1 (en) Internal combustion engine with turbocharging
EP2143926A1 (en) Combination with cylinder head and turbine
DE102011002562B4 (en) Supercharged liquid-cooled internal combustion engine
DE102014201411A1 (en) Internal combustion engine with cooled turbine
EP3452702B1 (en) Turbine housing for a turbocharger of an internal combustion engine, and turbocharger
EP2143925A1 (en) Assembly with cylinder head and turbine
DE102017200086A1 (en) Internal combustion engine with cylinder head and minimally cooled turbine
DE102014218782B4 (en) Charged internal combustion engine with liquid-cooled turbine and bearing housing
DE202014104426U1 (en) Internal combustion engine with liquid-cooled turbine
DE202013103704U1 (en) Cylinder head with an axial turbine
DE202013100884U1 (en) Liquid cooled turbine with bearing housing
DE102014201732B4 (en) Internal combustion engine with a liquid-cooled turbine
DE202014104463U1 (en) Liquid cooled turbine with bearing housing
EP2146068A1 (en) Assembly with cylinder head and turbine
DE102013216112A1 (en) Cylinder head with an axial turbine
DE102013203376A1 (en) Liquid-cooled radial-flow turbine for exhaust gas turbocharger of motor car, has bearing housing comprising coolant cladding integrated in bearing housing and arranged adjacent and spaced apart to assembly flange surface in flange
DE102014218589B4 (en) Internal combustion engine with liquid cooling and method for controlling liquid cooling
DE102010037969B4 (en) Internal combustion engine with liquid-cooled turbine and method for cooling the turbine
DE102015216533A1 (en) Charged internal combustion engine with cylinder head and cooled turbine
DE202013101510U1 (en) Liquid cooled turbine
DE102013206245A1 (en) Liquid cooled turbine

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R082 Change of representative

Representative=s name: SOBISCH KRAMM WETTLAUFER, DE

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division