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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung, mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern und mit mindestens einer flüssigkeitskühlbaren Turbine eines Abgasturboladers, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse führenden Strömungskanal aufweist, und
- - die mindestens eine Turbine zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung der mindestens einen flüssigkeitskühlbaren Turbine einer Brennkraftmaschine der vorstehenden Art.
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Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens zwei Zylinder, d. h. Brennräume, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
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Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
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Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft, über die Einlassöffnungen. Zur Steuerung des Ladungswechsels werden bei Viertaktmotoren nahezu ausschließlich Hubventile als Steuerorgane verwendet, die während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen und auf diese Weise die Einlassöffnungen und Auslassöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
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Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Auslasskanäle, d. h. die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Stromabwärts des mindestens einen Abgaskrümmers werden die Abgase dann mindestens einer Turbine eines Abgasturboladers zugeführt und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
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Die Herstellungskosten für die Turbine können vergleichsweise hoch sein, da der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse häufig verwendete - nickelhaltige - Werkstoff kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu dem für den Zylinderkopf vorzugsweise verwendeten Werkstoff; beispielsweise Aluminium. Nicht nur die Kosten für die nickelhaltigen Werkstoffe an sich, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser Werkstoffe sind vergleichsweise hoch.
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Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass es im Hinblick auf die Kosten überaus vorteilhaft wäre, wenn eine Turbine bereitgestellt werden könnte, die aus einem weniger kostenintensiveren Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Grauguss, gefertigt werden könnte.
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Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine häufig zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führt, da die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich erfordert; auch weil ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muss. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
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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. Als Kühlmittel wird in der Regel ein mit Additiven versetztes Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Wasser hat gegenüber anderen Kühlmitteln den Vorteil, dass es nicht toxisch, leicht verfügbar und kostengünstig ist und zudem über eine sehr hohe Wärmekapazität verfügt, weshalb Wasser sich für den Entzug und die Abfuhr sehr großer Wärmmengen eignet, was grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
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In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient.
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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.
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Die
EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Die
DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung. Die
DE 10 2011 002 562 A1 behandelt das flüssigkeitsgekühlte Lagergehäuse eines Abgasturboladers.
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Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise eingesetzten Wassers, können dem Gehäuse mittels Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen entzogen werden. Die Wärme wird im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel abgegeben und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher wieder entzogen.
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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, zu nutzen. Letzteres erfordert lediglich entsprechende Verbindungen beider Kreisläufe. Moderne Kraftfahrzeugantriebe werden häufig mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, um an den Wärmetauschern den für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderlichen Luftmassenstrom bereitzustellen.
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Es ist nicht das Ziel und die Aufgabe einer Flüssigkeitskühlung, der Brennkraftmaschine bzw. dem Turbinengehäuse unter sämtlichen Betriebsbedingungen eine möglichst große Wärmemenge zu entziehen. Vielmehr wird eine bedarfsgerechte Steuerung der Flüssigkeitskühlung angestrebt.
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Um die Reibleistung und damit den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu reduzieren, kann eine zügige Erwärmung des Motoröls, insbesondere nach einem Kaltstart, zielführend sein. Eine schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität des Öls und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern, beispielsweise den Lagern der Kurbelwelle.
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Grundsätzlich kann einer schnellen Erwärmung des Motoröls zur Reduzierung der Reibleistung auch Vorschub geleistet werden durch eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine selbst, die wiederum dadurch unterstützt, d. h. forciert, wird, dass der Brennkraftmaschine während der Warmlaufphase möglichst wenig Wärme entzogen wird.
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Insofern ist die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ein Beispiel für einen Betriebsmodus, in dem es vorteilhaft ist, der Brennkraftmaschine möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme zu entziehen.
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Ähnliches gilt für die Flüssigkeitskühlung einer flüssigkeitskühlbaren Turbine, d. h. für die Kühlung des Turbinengehäuses. Im Rahmen einer bedarfsgerechten Steuerung der Turbinenkühlung würde man in der Warmlaufphase, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine einen möglichst geringen, vorzugsweise keinen Wärmeentzug anstreben, damit das heiße Abgas, welches dann ungekühlt die Turbine passiert, möglichst schnell die stromabwärts angeordneten Abgasnachbehandlungssysteme aufheizt. Bei einer aufgeheizten Brennkraftmaschine bzw. auf Betriebstemperatur erwärmten Abgasnachbehandlungssystemen würde hingegen eine mehr oder weniger umfangreiche Kühlung des Turbinengehäuses bevorzugt bzw. erforderlich, um das Gehäuse vor thermischer Überlastung durch den heißen Abgasstrom zu schützen.
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Der vorstehend beschriebene Zielkonflikt kann nach dem Stand der Technik nicht aufgelöst werden. Den unterschiedlichen Anforderungen an die Turbinenkühlung kann nicht gleichzeitig entsprochen werden.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung der mindestens einen flüssigkeitskühlbaren Turbine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Flüssigkeitskühlung, mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern und mit mindestens einer flüssigkeitskühlbaren Turbine eines Abgasturboladers, bei der
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines Abgaskrümmers zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse führenden Strömungskanal aufweist, und
- - die mindestens eine Turbine zur Ausbildung einer Kühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - - der mindestens eine Kühlmittelmantel mit der Flüssigkeitskühlung verbindbar ist,
- - der mindestens eine Kühlmittelmantel in einem von der Flüssigkeitskühlung getrennten Nebenkreislauf angeordnet ist, der ein mit Luft und Kühlmittel befüllbares Entlüftungsbehältnis umfasst, welches via einer Luft führenden Entlüftungsleitung, die mittels einem ersten Absperrelement verschließbar ist, via einem ersten Anschluss mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbindbar ist,
- - eine Pumpe in einer versperrbaren Kühlmittel führenden Rückführleitung vorgesehen ist, welche via einem zweiten Anschluss den mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses mit dem Entlüftungsbehältnis verbindet, und
- - eine versperrbare Kühlmittel führende Bypassleitung zur Umgehung der Pumpe vorgesehen ist, welche das Entlüftungsbehältnis via des zweiten Anschlusses mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbindet.
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Erfindungsgemäß kann der mindestens eine im Turbinengehäuse integrierte Kühlmittelmantel mit Kühlmittel oder Luft befüllt werden, wobei ein mit Kühlmittel gefüllter Kühlmittelmantel vorteilhafterweise mit der Flüssigkeitskühlung der aufgeheizten Brennkraftmaschine verbunden wird, um dem Gehäuse aktiv Wärme zu entziehen und eine thermische Überlastung des Gehäuses durch heißes Abgas zu verhindern.
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Ausgehend von einem mit Kühlmittel befüllten und von der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine getrennten Kühlmittelmantel kann das Kühlmittel via Rückführleitung mittels Pumpe in ein bereitgestelltes Entlüftungsbehältnis überführt und via Entlüftungsleitung durch aus dem Entlüftungsbehältnis stammende Luft ersetzt werden. Werden abschließend die Rückführleitung und die Entlüftungsleitung versperrt und die Pumpe deaktiviert, ist der zuvor mit Kühlmittel befüllte mindestens eine Kühlmittelmantel mit Luft beaufschlagt.
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Ausgehend von einem mit Luft befüllten Kühlmittelmantel, der von der Motorkühlung getrennt ist, kann durch Freigeben einer Bypassleitung Kühlmittel schwerkraftgetrieben aus dem Entlüftungsbehältnis in den mindestens einen Kühlmittelmantel gelangen, wobei die im Kühlmittelmantel befindliche Luft via geöffneter Entlüftungsleitung in das Entlüftungsbehältnis entweicht. Werden abschließend die Bypassleitung und die Entlüftungsleitung wieder versperrt, ist der zuvor mit Luft befüllte mindestens eine Kühlmittelmantel von Kühlmittel beaufschlagt.
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Um das Medium in dem mindestens einen Kühlmittelmantel austauschen zu können, wird erfindungsgemäß ein von der Motorkühlung getrennter bzw. trennbarer Nebenkreislauf aufgebaut, der neben dem mindestens einen Kühlmittelmantel und dem mit Luft und Kühlmittel befüllten bzw. befüllbaren Entlüftungsbehältnis eine Luft führende Entlüftungsleitung, eine Kühlmittel führende Rückführleitung und eine die in der Rückführleitung angeordnete Pumpe umgehende, Kühlmittel führende Bypassleitung umfasst.
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Die Entlüftungsleitung, die Rückführleitung und die Bypassleitung sind jeweils mit dem Entlüftungsbehältnis und via ersten bzw. zweiten Anschluss mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbunden und können freigegeben oder versperrt werden.
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Erfindungsgemäß wird durch Ablassen des Kühlmittels und Einbringen von Luft in den mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses die Kühlleistung verringert, d. h. vermindert, so dass dem Gehäuse möglichst wenig, vorzugsweise keine Wärme entzogen wird. Vorteilhaft ist dies in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart. Das heiße Abgas passiert ohne Kühlung die Turbine und heizt stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme auf.
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Nach Erwärmung der Abgasnachbehandlungssysteme und Vorliegen einer zufriedenstellenden bzw. ausreichenden Konvertierungsrate der Abgasnachbehandlung kann die Luft im Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses durch Kühlmittel ersetzt werden und durch Verbinden mit der Motorkühlung für einen ausreichenden Kühlmitteldurchsatz durch das Gehäuse und eine Kühlung des Turbinengehäuses gesorgt werden. Letzteres kann auch bereits vor Abschluss der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erfolgen, so dass das im Turbinengehäuse erwärmte Kühlmittel für eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine sorgt bzw. genutzt wird, wodurch die Reibleistung und damit der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Der aus dem Stand der Technik bekannte Zielkonflikt wird aufgelöst, wobei die Turbinenkühlung unterschiedlichsten Anforderungen Rechnung trägt bzw. tragen kann. Das erfindungsgemäße Konzept erweist sich insbesondere während der Warmlaufphase und nach einem Kaltstart als besonders vorteilhaft. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Turbine kann ein thermisch weniger belastbarer Werkstoff verwendet werden, der kostengünstiger ist, vorzugsweise Grauguss, Stahlguss oder dergleichen, gegebenenfalls mit Zusätzen wie beispielsweise Silizium-Molybdän (SiMo).
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Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei mindestens eine flüssigkeitskühlbare Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Aufgrund der höheren Abgastemperaturen ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine thermisch besonders stark belastet, weshalb eine Kühlung der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vorteilhaft ist.
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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.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine 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.
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Die mindestens eine Turbine kann als Radialturbine ausgeführt sein, 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. 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.
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Die mindestens eine Turbine kann aber auch als Axialturbine ausgeführt sein, bei der die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung.
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Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, die in die mindestens eine Turbine mündet, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Weist der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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Ausführungsformen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf beispielsweise vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen.
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Bei drei und mehr Zylindern sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen
- - mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
- - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
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Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
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Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung zur Umgehung der Pumpe stromabwärts der Pumpe von der Rückführleitung abzweigt und stromaufwärts der Pumpe unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes wieder in die Rückführleitung einmündet, wobei eine Absperrvorrichtung vorgesehen ist, welche entweder die Rückführleitung oder die Bypassleitung freigibt oder die Rückführleitung und die Bypassleitung versperrt.
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Vorliegend teilen sich die Bypassleitung und die Rückführleitung gemeinsame Leitungsabschnitte, wodurch die Gesamtlänge des Leitungssystems verringert wird. Vorteile hat dies auch hinsichtlich des Gewichts und des Raumbedarfs, d. h. des Packagings. Die Ausbildung eines ersten Knotenpunktes ermöglicht die Steuerung sowohl der Rückführleitung als auch der Bypassleitung mit nur einem einzelnen Absperrelement, beispielsweise einem 3-2-Wege-Ventil.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Absperrvorrichtung ein am ersten Knotenpunkt angeordnetes 3-2-Wege-Ventil ist, welches mit dem zweiten Anschluss des mindestens einen Kühlmittelmantels, der Rückführleitung und der Bypassleitung verbunden ist.
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Vorteilhaft können aber ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen in der Bypassleitung und in der Rückführleitung jeweils ein Absperrelement angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Anschluss des mindestens einen Kühlmittelmantels geodätisch höher liegt als der zweite Anschluss des mindestens einen Kühlmittelmantels. Falls Kühlmittel via dem zweiten Anschluss in den Kühlmittelmantel einströmt, d. h. eingebracht wird, kann die Luft via dem geodätisch höher gelegenen ersten Anschluss entweichen und zwar in das Entlüftungsbehältnis, falls das Entlüftungsbehältnis geodätisch höher liegt als der erste Anschluss.
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Ausgehend von einem mit Luft befüllten Kühlmittelmantel gelangt das Kühlmittel aus dem Entlüftungsbehältnis via Bypassleitung schwerkraftgetrieben in den mindestens einen Kühlmittelmantel. Ein derartiges Befüllen des Kühlmittelmantels mit Kühlmittel unter Ausnutzung der Schwerkraft erfordert einen Unterschied in der geodätischen Höhe und zwar sowohl einen geodätischen Höhenunterschied zwischen dem Entlüftungsbehältnis und dem zweiten Anschluss als auch einen geodätischen Höhenunterschied zwischen dem zweiten und dem ersten Anschluss.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Entlüftungsbehältnis geodätisch höher liegt als der erste Anschluss des mindestens einen Kühlmittelmantels, und Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Entlüftungsbehältnis geodätisch höher liegt als der zweite Anschluss des mindestens einen Kühlmittelmantels.
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Soweit im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem geodätischen Höhenunterschied bzw. einer geodätischen Höhe die Rede ist, wird Bezug genommen auf die Einbauposition der Brennkraftmaschine mitsamt ihren Komponenten und ein horizontal stehendes Fahrzeug.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse ein einstückig gegossenes Bauteil 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. Leckagefreiheit ist dabei gewährleistet.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse der mindestens einen Turbine modular aus mindestens zwei Bauteilen aufgebaut ist, wobei jedes der mindestens zwei Bauteile ein Gussteil, d. h. ein im Gießverfahren hergestelltes Bauteil sein kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
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Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Auslassöffnungen der Brennkammer rechtzeitig freizugeben bzw. zu verschließen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ausströmenden Abgasen gering zu halten und ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Auslassöffnungen auszustatten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel via einer Zuführöffnung und via einer Abführöffnung mit der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine verbindbar ist. Ist der mindestens eine Kühlmittelmantel mit der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine verbunden, müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für den der Brennkraftmaschine verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. Die in der Brennkraftmaschine und im Turbinengehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen einlassseitig ein zweites Absperrelement vorgesehen ist, welches die Zuführöffnung freigibt oder versperrt, und auslassseitig ein drittes Absperrelement vorgesehen ist, welches die Abführöffnung freigibt oder versperrt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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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.
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Man ist daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
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Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammengeführt.
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Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.
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Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit, verringert die Anzahl der Bauteile und erleichtert die Montage.
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Ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung.
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Vorteilhaft sind auch daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme wird im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel abgegeben. Das 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.
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Eine Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes, d. h. die Integration des mindestens einen Abgaskrümmers, führt zusammen mit der Ausstattung des Kopfes mit einer Flüssigkeitskühlung beim Kaltstart der Brennkraftmaschine zu einer schnellen Erwärmung des Kühlmittels, damit zu einer schnelleren Aufwärmung der Brennkraftmaschine und, sofern eine kühlmittelbetriebene Heizung des Fahrgastraumes eines Fahrzeugs vorgesehen ist, zu einer schnelleren Aufheizung dieses Fahrgastraumes.
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Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist. Die Integration des mindestens einen Abgaskrümmers in den flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf macht einen aus thermisch hochbelastbarem Material gefertigten externen Krümmer gegebenenfalls entbehrlich, was Kostenvorteile hat.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen
- - der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, und
- - der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, umfasst.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der obere Kühlmittelmantel mit der Zuführöffnung und der untere Kühlmittelmantel mit der Abführöffnung verbindbar ist.
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Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der obere Kühlmittelmantel mit der Abführöffnung und der untere Kühlmittelmantel mit der Zuführöffnung verbindbar ist.
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Zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel kann ein Druckgefälle generiert werden. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den mindestens einen Kühlmittelmantel der Turbine.
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Die Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
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Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung der mindestens einen flüssigkeitskühlbaren Turbine einer aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem ausgehend von einer versperrten Bypassleitung und mindestens einem mit Kühlmittel befüllten Kühlmittelmantel, der von der Flüssigkeitskühlung getrennt ist,
- - die Rückführleitung freigeben und die Pumpe aktiviert wird, um Kühlmittel aus dem mindestens einen mit Kühlmittel befüllten Kühlmittelmantel in das Entlüftungsbehältnis zu fördern,
- - das Entlüftungsbehältnis durch Öffnen des ersten Absperrelements via Entlüftungsleitung und dem ersten Anschluss mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbunden wird, und
- - die Rückführleitung und die Entlüftungsleitung versperrt werden und die Pumpe deaktiviert wird, wenn eine vorgebbare Menge an Kühlmittel aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel heraus gefördert und durch Luft ersetzt wurde.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren. Der mindestens eine mit Luft gefüllte Kühlmittelmantel dient auch als Wärmebarriere, die einen Wärmeeintrag vom heißen Abgas in das Turbinengehäuse und eine Abkühlung des Abgases erschwert.
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Eine Steuerung der Flüssigkeitskühlung, bei der zum Zweck der schnellen Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme der Wärmeentzug in der Turbine nach einem Kaltstart vermindert wird, umfasst erfindungsgemäß das Ablassen des Kühlmittels.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend von einer versperrten Rückführleitung und mindestens einem mit Luft befüllten Kühlmittelmantel, der von der Flüssigkeitskühlung getrennt ist,
- - die Bypassleitung freigeben wird, damit Kühlmittel schwerkraftgetrieben aus dem Entlüftungsbehältnis in den mindestens einen Kühlmittelmantel gelangt,
- - das Entlüftungsbehältnis durch Öffnen des ersten Absperrelements via Entlüftungsleitung und dem ersten Anschluss mit dem mindestens einen Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses verbunden wird, damit Luft aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel in das Entlüftungsbehältnis entweicht, und
- - die Bypassleitung und die Entlüftungsleitung versperrt werden, wenn eine vorgebbare Menge an Kühlmittel in den mindestens einen Kühlmittelmantel eingebracht wurde.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der mindestens eine mit Kühlmittel befüllte Kühlmittelmantel durch Freigeben der Zuführöffnung und der Abführöffnung mit der Flüssigkeitskühlung der aufgeladenen Brennkraftmaschine verbunden wird. Dies kann bereits in der Warmlaufphase durchgeführt werden, falls die Abgasnachbehandlungssysteme ihre Betriebstemperatur bzw. Mindesttemperatur erreicht haben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 die flüssigkeitskühlbare Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Nebenkreislauf, teilweise senkrecht zur Turbinenwelle geschnitten.
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1 zeigt die flüssigkeitskühlbare Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Nebenkreislauf 3, teilweise senkrecht zur Turbinenwelle 1b geschnitten.
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Der Turbine 1 wird via Gesamtabgasleitung und Eintrittsbereich Abgas einer Brennkraftmaschine zugeführt (nicht dargestellt). Die ein Turbinengehäuse 1a aufweisende Turbine 1 verfügt über einen das Abgas durch die Turbine 1 führenden Strömungskanal 1d, der im Gehäuse 1a implementiert ist, und ein in dem Gehäuse 1a angeordnetes und auf der drehbaren Turbinenwelle 1b gelagertes Laufrad 1c.
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Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung ist die Turbine 1 mit einem Kühlmittelmantel 2 ausgestattet, der im Gehäuse 1a integriert ist und via Zuführöffnung 8a und Abführöffnung 8b mit der Motorkühlung 8 verbindbar ist. Einlassseitig ist ein zweites Absperrelement 8a' vorgesehen, um die Zuführöffnung 8a freizugeben oder zu versperren. Auslassseitig ist ein drittes Absperrelement 8b' vorgesehen, um die Abführöffnung 8b freizugeben oder zu versperren.
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Der Kühlmittelmantel 2 ist in einem von der Motorkühlung 8 getrennten bzw. trennbaren Nebenkreislauf 3 angeordnet, der ein mit Luft und Kühlmittel befüllbares Entlüftungsbehältnis 4 umfasst. Das Entlüftungsbehältnis 4 ist via einer Luft führenden Entlüftungsleitung 4a, die mittels einem ersten Absperrelement 4b verschließbar ist, mit einem ersten Anschluss 2a des Kühlmittelmantels 2 verbindbar. Eine Pumpe 5 zur Förderung von Kühlmittel ist in einer versperrbaren, Kühlmittel führenden Rückführleitung 6 angeordnet, welche das Entlüftungsbehältnis 4 mit einem zweiten Anschluss 2b des Kühlmittelmantels 2 verbindet. Eine versperrbare, Kühlmittel führende Bypassleitung 7 dient der Umgehung der Pumpe 5 und verbindet das Entlüftungsbehältnis 4 mit dem zweiten Anschluss 2b des Kühlmittelmantels 2.
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Vorliegend zweigt die Bypassleitung 7 stromabwärts der Pumpe 5 von der Rückführleitung 6 ab und mündet stromaufwärts der Pumpe 5 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 10 wieder in die Rückführleitung 6. An dem Knotenpunkt 10 ist ein 3-2-Wege-Ventil 9a angeordnet, das als Absperrvorrichtung 9 dient. Das Ventil 9a ist mit dem zweiten Anschluss 2b des Kühlmittelmantels 2, mit der Rückführleitung 6 und mit der Bypassleitung 7 verbunden, gibt entweder die Rückführleitung 6 oder die Bypassleitung 7 frei oder versperrt die Rückführleitung 6 und die Bypassleitung 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- flüssigkeitskühlbare Turbine
- 1a
- Turbinengehäuse
- 1b
- Turbinenwelle
- 1c
- Laufrad der Turbine
- 1d
- Strömungskanal der Turbine
- 2
- Kühlmittelmantel des Turbinengehäuses
- 2a
- erster Anschluss
- 2b
- zweiter Anschluss
- 3
- Nebenkreislauf
- 4
- Entlüftungsbehältnis
- 4a
- Entlüftungsleitung
- 4b
- erstes Absperrelement
- 5
- Pumpe
- 6
- Rückführleitung
- 7
- Bypassleitung
- 8
- Motorkühlung, Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine
- 8a
- Zuführöffnung
- 8a'
- zweites Absperrelement
- 8b
- Abführöffnung
- 8b'
- drittes Absperrelement
- 9
- Absperrvorrichtung
- 9a
- 3-2-Wege-Ventil
- 10
- erster Knotenpunkt
