DE102015216533A1

DE102015216533A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und gekühlter Turbine

Info

Publication number: DE102015216533A1
Application number: DE102015216533.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Kuhlbach; Carsten Weber; Joachim Hansen; Jan Mehring; Stefan Quiring; Ludwig Stump
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine (1) eines Abgasturboladers, bei der – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei mindestens eine Abgasleitung in die mindestens eine ein Turbinengehäuse (1a) aufweisende Turbine (1) mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse (1a) führenden Strömungskanal (2) aufweist und welche mindestens ein in dem Turbinengehäuse (1a) auf einer drehbaren Welle (7) gelagertes Laufrad (6) umfasst. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ausbildung der Kühlung der Turbine (1) optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses (1a) mindestens ein Kühlmittelkanal (3) vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung (3a) begrenzt und ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Wandung (3a) via mindestens einem Verbindungselement (4) mit dem Turbinengehäuse (1a) verbunden ist, wodurch der mindestens eine Kühlmittelkanal (3) brückenähnlich auf dem Turbinengehäuse (1a) angeordnet und gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine eines Abgasturboladers, bei der

– der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei mindestens eine Abgasleitung in die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse führenden Strömungskanal aufweist und welche mindestens ein in dem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung des mindestens einen Zylinders, d. h. Brennraums, an ihren Montage-Stirnseiten miteinander verbunden werden.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der 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.
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.
Stromabwärts der Auslassöffnungen werden die Abgase dann mindestens einer Turbine zugeführt, beispielsweise der Turbine eines Abgasturboladers, und gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
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 Aluminium. Nicht nur die Kosten für die nickelhaltigen Werkstoffe an sich, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser Werkstoffe sind vergleichsweise hoch.
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 kostenintensiven Werkstoff, beispielsweise Aluminium oder Grauguss, gefertigt werden könnte.
Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine häufig zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führt. Denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich, auch weil ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muss. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine nach dem Stand der Technik mit einer Kühlung, beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, ausgestattet, welche die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe ermöglicht.
In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient.
Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 011 257 A1 . Eine Flüssigkeitskühlung der Turbine wird dadurch ausgebildet, dass das eigentliche Turbinengehäuse mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in den Kühlmittel eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Gehäuse umfasst dann den Kühlmittelmantel.
Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Die DE 10 2007 017 973 A1 beschreibt einen Bausatz zur Ausbildung einer dampfgekühlten Turbinenummantelung.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise eingesetzten Wassers, können dem Gehäuse mittels Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen entzogen werden. Die Wärme wird im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel abgegeben und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Flüssigkeitskühlung der Turbine mit einem separaten Wärmetauscher auszustatten oder aber – bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine – den Wärmetauscher der Motorkühlung, d. h. den Wärmetauscher einer anderen Flüssigkeitskühlung, hierfür zu nutzen. Letzteres erfordert lediglich entsprechende Verbindungen beider Kreisläufe.
Als nachteilig können sich die hohen Temperaturgradienten erweisen, die sich bei einer nach dem Stand der Technik gekühlten Turbine im Gehäuse einstellen und zur Materialermüdung führen können. In Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff, der konkreten Ausbildung und Anordnung der Kühlkanäle sowie des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine können die Temperaturen im Gehäuse um mehrere hundert Grad differieren.
Der mindestens eine zur Ausbildung der Kühlung im Gehäuse integrierte Kühlmittelkanal mindert die Gehäusetemperatur in unmittelbarer Nachbarschaft zum Kanal erheblich, hingegen in weiter entfernten Gehäuseteilen weniger stark.
Das Temperaturgefälle im Gehäuse lässt sich nach dem Stand der Technik nur dadurch beschränken, dass ausreichend viel Kühlmittelkanäle vorgesehen werden, so dass jeder Gehäuseteil in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem Kühlmittelkanal liegt, bzw. der Kühlmittelkanal als ein Kühlmittelmantel ausgebildet wird, welcher den Strömungskanal möglichst großflächig umhüllt. Beide Maßnahmen führen zu einer Egalisierung der Temperatur in weiten Bereichen des Gehäuses, sind aber gleichzeitig mit der Abfuhr großer Wärmemengen verbunden. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge derart hoch sein kann, dass es sich als problematisch erweist, dem Kühlmittel im Wärmetauscher diese große Wärmemenge zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen.
Moderne Kraftfahrzeugantriebe werden zwar mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, um an den Wärmetauschern den für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderlichen Luftmassenstrom bereitzustellen. Aber ein weiterer, für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, nämlich die für den Wärmeübergang zur Verfügung gestellte Oberfläche, kann nicht beliebig groß ausgeführt bzw. vergrößert werden, da das Platzangebot im Front-End-Bereich des Fahrzeuges, wo die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.
Um die in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge zu begrenzen, wurden verschiedene Konzepte entwickelt. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 002 554 A1 beschreibt ein Konzept, bei dem im Turbinengehäuse Kammern vorgesehen werden, die zwischen dem Abgas führenden Strömungskanal der Turbine und dem Kühlmittelkanal angeordnet sind und als Wärmebarriere fungieren, so dass der Wärmefluss vom Abgas bzw. Strömungskanal zum Kühlmittelkanal erschwert und dadurch vermindert wird. Über die konstruktive Ausgestaltung der Kammern, insbesondere die Formgebung, kann Einfluss genommen werden auf die Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung im Turbinengehäuse.
Das Konzept der DE 10 2011 002 554 A1 hat aber in fertigungstechnischer Hinsicht gravierende Nachteile. So erweist sich die Herstellung der Kammern, die im Einzelfall auch ein Prozessfluid bevorraten können, als problematisch, insbesondere die Entfernung der für den Herstellungsprozess mittels Gießen erforderlichen Kerne. Im Einzelfall ist ein modularer, d. h. mehrteiliger Aufbau des Turbinengehäuses unumgänglich.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ausbildung der Kühlung der Turbine optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine eines Abgasturboladers, bei der

– der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei mindestens eine Abgasleitung in die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse führenden Strömungskanal aufweist und welche mindestens ein in dem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses mindestens ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Wandung via mindestens einem Verbindungselement mit dem Turbinengehäuse verbunden ist, wodurch der mindestens eine Kühlmittelkanal brückenähnlich auf dem Turbinengehäuse angeordnet und gelagert ist.

Der Kühlmittelkanal wird erfindungsgemäß nicht unmittelbar in das Turbinengehäuse integriert. Vielmehr wird zur Ausbildung einer Kühlung mindestens ein externer Kühlmittelkanal vorgesehen, der nicht vom Gehäusematerial selbst, sondern autark durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet wird.
Dieser mindestens eine externe Kühlmittelkanal bzw. dessen Wandung ist erfindungsgemäß via einem Verbindungselement bzw. via mehreren Verbindungselementen mit dem Turbinengehäuse verbunden. Ein derartiges Verbindungselement bzw. Brückenelement kann ganz unterschiedlich geformt sein, beispielsweise mit einem runden oder eckigen Querschnitt, als Pfeiler, Stelze, Strebe, Stempel, Rippe, Säule oder dergleichen, gitternetzartig, organisch wie ein Knochen oder stabförmig.
Ein erfindungsgemäßer Kühlmittelkanal ist dann ähnlich der Wasserleitung auf einem Aquädukt gelagert und brückenähnlich auf dem Turbinengehäuse angeordnet. Ein Aquädukt wird dabei als wasserführende Brücke betrachtet.
Die – bei Verwendung mehrerer Verbindungselemente – zwischen den Verbindungselementen ausgebildeten offenen Räume bzw. Durchgänge fungieren als Wärmebarriere und erschweren den direkten Wärmeübergang vom Abgas in das Kühlmittel. Zudem ist eine Herstellung mittels Gießen problemlos möglich, da die zwischen benachbarten Verbindungselementen befindlichen Kerne nach dem Gießprozess ohne Weiteres entfernt werden können.
Über die konstruktive Ausgestaltung bzw. Formgebung der Verbindungselemente sowie deren Anzahl und Anordnung kann Einfluss genommen werden auf die in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge, aber auch auf die Wärmeströme selbst und damit auf die Temperaturverteilung im Turbinengehäuse, in den Verbindungselementen und in den Wandungen des mindestens einen Kühlmittelkanals.
Dies kann zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung beitragen, d. h. zu einem Abbau der nach dem Stand der Technik unvermeidbaren Temperaturgradienten. Große Temperaturgradienten, die zu thermischen Spannungen führen und zur Überschreitung der Festigkeit des Werkstoffes führen können, werden auf diese Weise minimiert bzw. gemindert.
Es wird vorliegend nicht angestrebt, eine möglichst großflächige Ummantelung des mindestens einen Strömungskanals mit Kühlmittel und damit eine möglichst große Wärmeabfuhr zu realisieren. Vielmehr wird durch die externe und beabstandete Anordnung des mindestens einen Kühlmittelkanals die abzuführende Wärmemenge begrenzt. Damit entfällt die Problematik, große vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
Einerseits ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlung den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung insbesondere des Turbinengehäuses, da die thermische Belastung des Materials vermindert wird. Andererseits reicht die Kühlleistung in der Regel nicht aus, um thermisch nur wenig belastbare Werkstoffe, wie Aluminium, einsetzen zu können.
Korrespondierend zu der moderaten Kühlleistung ist für die Herstellung der erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten Turbine ein entsprechender Werkstoff zu wählen, vorzugsweise Grauguss, Stahlguss oder dergleichen, gegebenenfalls mit Zusätzen wie beispielsweise Silizium-Molybdän (SiMo).
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Ausbildung der Kühlung der Turbine optimiert ist.
Die Turbine kann als Radialturbine ausgeführt sein, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades 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.
Die Turbine kann aber auch als Axialturbine ausgeführt sein, bei der die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung.
Erfindungsgemäß ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasturboaufladung ausgestattet, wobei die mindestens eine Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist. Eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet, weshalb eine Kühlung der Turbine des Abgasturboladers vorteilhaft ist.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und münden nur die Abgasleitungen bzw. Abgase von einem Zylinder in die Turbine, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Weist der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern in die Turbine, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
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. Und zwar unabhängig davon, ob die beiden Gesamtabgasleitungen in dieselbe Turbine münden oder getrennt voneinander jeweils in eine separate Turbine.
Die mindestens eine Turbine kann eine zweiflutige Turbine sein. 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.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen, die in die mindestens eine Turbine mündet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Wandung durch mehrere Verbindungselemente mit dem Turbinengehäuse verbunden ist. Vorliegend wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Mehrzahl der möglichen relevanten Ausführungsformen mehr als ein Verbindungselement aufweisen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem Turbinengehäuse keine geschlossene Kammer angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem Turbinengehäuse keine geschlossenen Kammern angeordnet sind.
Die beiden vorstehenden Ausführungsformen dienen der Abgrenzung gegenüber Konzepten, wie in der DE 10 2011 002 554 A1 beschrieben. Es handelt es sich um Disclaimer, mit denen geschlossene Kammern als Merkmal ausdrücklich von der vorliegenden Erfindung ausgenommen werden. Mit den Kammern entfallen auch die mit den Kammern verbundenen Herstellungsprobleme.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Verbindungselement pfeilerartig ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Verbindungselement rippenähnlich ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Verbindungselement ein einstückig gegossenes Bauteil ist. Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne lässt sich die komplexe Struktur auch in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung und die Montage des Laufzeugs erforderlich sind, um die Turbine auszubilden.
Im Einzelfall kann Aluminium als Werkstoff verwendet werden, wenn die thermische Belastung der Turbine dies gestattet, was auch von der Ausbildung bzw. Leistungsfähigkeit der Kühlung abhängt. Dadurch wird – im Vergleich zur Verwendung von Stahl – eine besonders hohe Gewichtsersparnis erzielt. Die Kosten für die Bearbeitung des Aluminiumbauteils sind ebenfalls niedriger.
Vorteilhaft ist es aber insbesondere, das monolithische Bauteil aus Grauguss oder anderen Gussmaterialien zu fertigen. Denn unabhängig von der Art des verwendeten Werkstoffes bleiben die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform erhalten, insbesondere die kompakte Bauweise, der Wegfall von zusätzlichen Montagearbeiten und dergleichen.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Turbinengehäuse mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Verbindungselement modular aus mindestens zwei Bauteilen aufgebaut ist, d. h. mehrteilig ist.
Ein modularer Aufbau, bei dem mindestens zwei Bauteile miteinander zu verbinden sind, hat den grundsätzlichen Vorteil, dass die einzelnen Bauteile nach dem Baukastenprinzip in unterschiedlichen Ausführungsformen Verwendung finden können. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht in der Regel die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Bei einem modularen, d. h. mehrteiligen Aufbau sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen ein erstes Bauteil das Turbinengehäuse und das mindestens eine Verbindungselement umfasst und ein zweites Bauteil den mindestens einen Kühlmittelkanal.
Die mindestens zwei Bauteile können kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die mindestens zwei Bauteile im montierten Zustand stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Eine stoffschlüssige Verbindung hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Verbindungselemente erforderlich sind, was die Herstellung, insbesondere die Montage, d. h. das Einbringen der Verbindung, erheblich erleichtert. Schrauben oder Ähnliches werden entbehrlich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses mindestens zwei Kühlmittelkanäle vorgesehen sind.
Das Vorsehen von mehr als einem Kühlmittelkanal trägt zur Homogenisierung der Temperaturverteilung im Gehäuse bei, d. h. zu einem Abbau der im Zusammenhang mit einer Kühlung prinzipbedingt im Gehäuse auftretenden Temperaturgefälle und Spannungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Kühlmittelkanäle umfänglich und beabstandet zueinander am Turbinengehäuse angeordnet sind, vorzugsweise regelmäßig zueinander beabstandet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei oder drei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Auslassöffnungen der Zylinder 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.
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.
Zu berücksichtigen ist, dass grundsätzlich angestrebt wird, die mindestens eine 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 Wieteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Man ist daher auch 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.
Zielführend dabei ist, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen. Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, wird verkleinert, so dass sich das Ansprechverhalten verbessert. Die verkürzten Abgasleitungen führen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.
Ein 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.
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.
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sind, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden ist.
Ist der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden, müssen die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden, da diese sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für den der Brennkraftmaschine verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die im Zylinderkopf und im Turbinengehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden. Darüber hinaus kann der mindestens eine Kühlmittelkanal der Turbine via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen, 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.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der untere Kühlmittelmantel und/oder der obere Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen auf der dem mindestens einen Zylinder abgewandten Seite mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient. Der Zylinderkopf verfügt dann über mindestens eine Verbindung, die in einer Außenwandung des Zylinderkopfes angeordnet ist, d. h. außerhalb des zumindest teilweise integrierten Abgaskrümmers liegt.
Bei der Verbindung handelt es sich um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen kann und/oder umgekehrt.
Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Die Kühlung kann dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
Ein solches Druckgefälle bietet auch Vorteile, falls der untere Kühlmittelmantel und der obere Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal der Turbine verbunden sind. Das Druckgefälle dient dann als treibende Kraft zur Förderung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal der Turbine.
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.
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, falls eine Leiteinrichtung vorgesehen ist. 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.
Im Gegensatz zu einer festen unveränderlichen Geometrie ist eine variable Turbinengeometrie aufgrund der beweglichen Komponenten thermisch noch weniger belastbar, weshalb die Kühlung einer Turbine, die mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist, besonders vorteilhaft ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 die flüssigkeitsgekühlte Turbine einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Laufrads, und
2 die flüssigkeitsgekühlte Turbine einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Abgasströmung.
1 zeigt die flüssigkeitsgekühlte Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Welle 7 des Laufrads 6. Zur Befestigung der Turbine 1 am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ist ein Flansch 8 vorgesehen.
Der Turbine 1 wird Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt, wobei die Turbine 1 selbst über einen Abgas durch das Turbinengehäuse 1a führenden Strömungskanal verfügt (nicht dargestellt).
Zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses 1a ist ein externer Kühlmittelkanal 3 vorgesehen, der durch eine Wandung 3a begrenzt und ausgebildet wird und das Gehäuse 1a auf einem äußeren Umfang beabstandet umschließt. Die Wandung 3a ist mittels mehrerer Verbindungselemente 4 mit dem Turbinengehäuse 1a verbunden, so dass der Kühlmittelkanal 3 brückenähnlich auf dem Turbinengehäuse 1a angeordnet und gelagert ist.
Die Verbindungselemente 4 sind zueinander beabstandet angeordnet und rippenähnlich ausgebildet. Zwischen benachbarten Verbindungselementen 4 bzw. Rippen 4b werden folglich offene Räume, d. h. Durchbrüche 5 bzw. Durchlässe 5 ausgebildet.
2 zeigt die flüssigkeitsgekühlte Turbine 1 einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zu der Flut 2, durch die das Abgas in das Laufrad 6 eintritt. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungselemente 4 bzw. Brückenelemente 4 pfeilerartig ausgebildet. Die zwischen benachbarten Verbindungselementen 4 bzw. Pfeilern 4a ausgebildeten Durchbrüche 5 bzw. Durchlässe 5 sind offen.
Der Kühlmittelkanal 3 lagert auf dem Turbinengehäuse 1a und erstreckt sich bis in den Austrittsbereich der Turbine 1.
Bezugszeichenliste

1: Turbine
1a: Turbinengehäuse, Gehäuse
2: Strömungskanal, Flut
3: Kühlmittelkanal
3a: Wandung des Kühlmittelkanals
4: Verbindungselement
4a: Pfeiler
4b: Rippe
5: Durchlass, Durchbruch
6: Laufrad der Turbine
7: Welle der Turbine, Welle des Laufrads
8: Flansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0012]
EP 1384857 A2 [0013]
DE 102007017973 A1 [0014]
DE 102011002554 A1 [0021, 0022, 0051]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine (1) eines Abgasturboladers, bei der – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei mindestens eine Abgasleitung in die mindestens eine ein Turbinengehäuse (1a) aufweisende Turbine (1) mündet, welche mindestens einen Abgas durch das Turbinengehäuse (1a) führenden Strömungskanal (2) aufweist und welche mindestens ein in dem Turbinengehäuse (1a) auf einer drehbaren Welle (7) gelagertes Laufrad (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses (1a) mindestens ein Kühlmittelkanal (3) vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung (3a) begrenzt und ausgebildet ist, wobei die mindestens eine Wandung (3a) via mindestens einem Verbindungselement (4) mit dem Turbinengehäuse (1a) verbunden ist, wodurch der mindestens eine Kühlmittelkanal (3) brückenähnlich auf dem Turbinengehäuse (1a) angeordnet und gelagert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wandung (3a) via mehreren Verbindungselementen (4) mit dem Turbinengehäuse (1a) verbunden ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3) und dem Turbinengehäuse (1a) keine geschlossene Kammer angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3) und dem Turbinengehäuse (1a) keine geschlossenen Kammern angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (4) pfeilerartig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbindungselement (4) rippenähnlich ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (1a) mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3) und dem mindestens einen Verbindungselement (4) ein einstückig gegossenes Bauteil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (1a) mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3) und dem mindestens einen Verbindungselement (4) modular aus mindestens zwei Bauteilen aufgebaut ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bauteil das Turbinengehäuse (1a) und das mindestens eine Verbindungselement (4) umfasst und ein zweites Bauteil den mindestens einen Kühlmittelkanal (3) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauteile im montierten Zustand stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses (1a) mindestens zwei Kühlmittelkanäle (3) vorgesehen sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3) verbunden ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass – 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.