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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Für die Aufladung von Brennkraftmaschinen werden Abgasturbolader verwendet, um die in dem beim Betrieb der Brennkraftmaschine anfallenden Abgas enthaltene Abgasenthalpie zur Verdichtung der angesaugten Frischluft zu nutzen. Für eine möglichst optimale Nutzung der Abgasenthalpie sind Lösungen bekannt, bei welchen die Turbine des Abgasturboladers möglichst nah am Zylinder angeordnet ist. Dadurch wird eine Abkühlung des Abgases vor allem beim Betrieb der Brennkraftmaschine in niedrigen Lastbereichen verringert und demnach das Ansprechverhalten des Abgasturboladers verbessert. Zur Verringerung der mittels Abgases zu durchströmenden Kanallängen zwischen Zylinder und Turbine des Abgasturboladers werden integrierte Module verwendet, bei welchen der Abgaskrümmer im Zylinderkopf integriert ist, oder beispielsweise der Abgaskrümmer mit dem Gehäuse des Abgasturboladers zusammengefasst ist.
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Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes, des Abgaskrümmers und der Turbine vor allem beim Betrieb der Brennkraftmaschine in hohen Lastbereichen gering zu halten, sind Lösungen bekannt, bei welchen der Zylinderkopf im Bereich der Abgaskanäle, der Abgaskrümmer und das Gehäuse des Turboladers mit einer Flüssigkeitskühlung versehen sind. Diese Flüssigkeitskühlung ist dann beispielsweise mit der Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine verbunden. Der Wärmeübergang zwischen Abgas und Kühlmittel kann durch gezielt erzeugte Oberflächenstrukturen in den Kühlmittelkanälen verbessert werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
EP 1 384 857 A2 geht eine aufgeladene Brennkraftmaschine für Marienanwendungen mit einstückig miteinander ausgebildetem Turbinengehäuse und Abgaskrümmergehäuse hervor. Das Turbinengehäuse und der Abgaskrümmer sind von einer Kühleinrichtung, vorzugweise mit einem Wassermantel umgeben, wobei Seewasser als Kühlmittel vorgesehen ist. Weiter ist ein separater Kühlkreislauf vorgesehen, welcher zur Kühlung des Turbinenlagergehäuses mit einem Motorkühlkreislauf verbunden ist. Somit erfolgt eine getrennte Kühlung von Lagergehäuse und Turbinengehäuse.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 038 055 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem zur Nutzung der Abgasenthalpie vorgesehenen Abgasturbolader bekannt. Das Turbinengehäuse des Abgasturboladers weist einen Kühlmittelmantel auf, welcher zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer gezielt unebenen Oberflächenstruktur versehen ist. Weiter wird beschrieben, dass die Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes mit der Flüssigkeitskühlung im Turbinengehäuse verbunden ist. Diese Oberflächenstruktur wird beispielsweise durch ein rippenförmiges Element dargestellt, welches in den Kühlmittelmantel hineinragt. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit in Folge des reduzierten Strömungsquerschnitts und somit der Wärmeübergang lokal begrenzt erhöht.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2010 051 562 B4 geht eine Abgasführungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine hervor, welche ein einstückig ausgebildetes Abgaskrümmergehäuse und Turbinengehäuse umfasst. Zur Vermeidung von thermischen Spannungen in der Abgasführungsvorrichtung ist ein Kühlmittelkanal im Abgaskrümmergehäuse mit einem Kühlmittelkanal im Turbinengehäuse fluidverbunden. Weiter ist ein Wärmetauscher vorgesehen, dessen Durchströmung über ein Abgasrückführventil regelbar ist, wobei die Kühlung des Abgasrückführventil durch den Kühlmittelkanal des Abgaskrümmers erfolgt. Weiter wird beschrieben, dass sich der Kühlmittelmantel auch teilweise um die Abgaskanäle erstreckt. Der Kühlmittelkanal im Turbinengehäuse ist als ringförmiger Kühlmittelkanal ausgebildet, welcher die Fluten des zweiflutigen Turbinengehäuses radial umgibt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2014 218 782 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt. Der Abgasturbolader umfasst ein Turbinengehäuse zur Aufnahme eines Laufrades und ein Lagegehäuse zur Aufnahme einer drehbaren Welle, auf welcher das Laufrad gelagert ist. Das Turbinengehäuse ist zur Kühlung des Abgasturboladers mit einem ersten Kühlmittelkanal und einem mit dem ersten Kühlmittelkanal mittels mindestens eines Verbindungskanals fluidverbundenen zweiten Kühlmittelkanal versehen, wobei der erste Kühlmittelkanal sich auf der dem Lagergehäuse zugewandten Seite ringförmig um die Welle und der zweite Kühlmittelkanal sich auf der dem Lagergehäuse abgewandten Seite ringförmig um die Welle erstreckt. Weiter wird beschrieben, dass die Kühlung durch eine Erhöhung des Druckgefälles zwischen den Kühlmittelkanälen verbessert werden kann, da sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit und in Folge dessen der Wärmeübergang infolge Konvektion in dem mindestens einen Verbindungskanal erhöht.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul mit verbesserter Kühlwirkung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine erfindungsgemäß vorteilhafte Mehrzylinderbrennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul bereit, wobei das Abgasturboladermodul ein wenigstens eine erste Turbine aufnehmendes Turbinengehäuse, ein einen ersten Abgaskrümmer und einen vom ersten Abgaskrümmer unabhängigen zweiten Abgaskrümmer aufnehmendes Abgaskrümmergehäuse, einen ersten Kühlmittelkanal und einen vom ersten Kühlmittelkanal unabhängigen zweiten Kühlmittelkanal umfasst.
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Der erste Abgaskrümmer ist zur Zusammenführung und Weiterleitung des Abgases aus den Zylindern zugeordneten ersten Abgaskrümmerarmen zu einer ersten Abgasflut einem ersten Abgaskanal eines jeweiligen Zylinders zugeordnet. Der zweite Abgaskrümmer ist zur Zusammenführung und Weiterleitung des Abgases aus den Zylindern zugeordneten zweiten Abgaskrümmerarmen zu der ersten Abgasflut oder zu einer separaten zweiten Abgasflut einem zweiten Abgaskanal des jeweiligen Zylinders zugeordnet. Die erste Abgasflut ist der ersten Turbine zugeordnet. Die zweite Abgasflut ist der ersten Turbine zur Bildung einer zweiflutigen Turbine oder einer separaten zusätzlich im Turbinengehäuse aufgenommenen zweiten Turbine zugeordnet ist. Das Abgasturboladermodul ist mit einem Zylinderkopf und dieser wiederum mit einem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verbunden.
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Der erste Kühlmittelkanal weist einen den ersten Abgaskrümmer wenigstens teilweise umgreifenden ersten Abgaskrümmerkühlmantel auf. In vorteilhafter Weise umgreift der erste Abgaskrümmerkühlmantel einen ersten Abgaskrümmerarm in Strömungsrichtung des Abgases vor einer ersten Abgaszusammenführung mit einem benachbarten ersten Abgaskrümmerarm des ersten Abgaskrümmers. Demnach erstreckt sich der erste Kühlmittelkanal über das Abgaskrümmergehäuse.
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Der erste Kühlmittelkanal weist einen die erste und / oder zweite Turbine wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden ersten Turbinenkühlmantel auf. In vorteilhafter Weise ist der die erste Turbine umgreifende erste Turbinenkühlmantel im Bereich zwischen der ersten Abgasflut und der zweiten Abgasflut angeordnet. Demnach erstreckt sich der erste Kühlmittelkanal über das Turbinengehäuse.
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Der zweite Kühlmittelkanal weist einen den zweiten Abgaskrümmer wenigstens teilweise umgreifenden zweiten Abgaskrümmerkühlmantel auf. In vorteilhafter Weise umgreift der zweite Abgaskrümmerkühlmantel ebenso den ersten Abgaskrümmer wenigstens teilweise. In vorteilhafter Weise umgreift der zweite Abgaskrümmerkühlmantel einen zweiten Abgaskrümmerarm in Strömungsrichtung des Abgases vor einer zweiten Abgaszusammenführung mit einem benachbarten zweiten Abgaskrümmerarm des zweiten Abgaskrümmers. Demnach erstreckt sich der zweite Kühlmittelkanal über das Abgaskrümmergehäuse.
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Der zweite Kühlmittelkanal weist einen die erste Turbine wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden zweiten Turbinenkühlmantel auf. In vorteilhafter Weise ist der zweite Turbinenkühlmantel der ersten Abgasflut zugeordnet und umgreift diese wenigstens teilweise ringförmig. Der zweite Turbinenkühlmantel ist auf der gegenüber dem ersten Turbinenkühlmantel abgewandten Seite der ersten Abgasflut angeordnet, so dass sich einerseits der ersten Abgasflut der erste Turbinenkühlmantel und andererseits der ersten Abgasflut der zweite Turbinenkühlmantel befindet. Der zweite Kühlmittelkanal weist einen die erste oder zweite Turbine wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden dritten Turbinenkühlmantel auf. In vorteilhafter Weise ist der dritte Turbinenkühlmantel der zweiten Abgasflut zugeordnet und umgreift diese wenigstens teilweise ringförmig. Der dritte Turbinenkühlmantel ist auf der gegenüber dem ersten Turbinenkühlmantel abgewandten Seite der zweiten Abgasflut angeordnet, so dass sich einerseits der zweiten Abgasflut der erste Turbinenkühlmantel und andererseits der zweiten Abgasflut der dritte Turbinenkühlmantel befindet.
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In vorteilhafter Weise ist der zweite Turbinenkühlmantel mit dem dritten Turbinenkühlmantel mittels wenigstens einem Überströmkanal fluidverbunden. In besonders vorteilhafter Weise ist der Überströmkanal derart angeordnet, dass der Überströmkanal gegenüber dem ersten Turbinenkühlmantel radial außerhalb verläuft. In besonders vorteilhafter alternativer Weise ist der Überströmkanal derart angeordnet, dass der Überströmkanal gegenüber dem ersten Turbinenkühlmantel radial innerhalb verläuft. Demnach erstreckt sich der zweite Kühlmittelkanal über das Turbinengehäuse.
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In besonders vorteilhafter Weise ist im zweiten Kühlmittelkanal wenigstens teilweise eine turbulenzerhöhende Struktur vorgesehen, mittels welcher die Turbulenz der Kühlmittelströmung und somit die Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmittel erhöht wird. Insbesondere ist die turbulenzerhöhende Struktur im zweiten Abgaskrümmerkühlmantel, im zweiten Turbinenkühlmantel und / oder im dritten Turbinenkühlmantel angeordnet. Als turbulenzerhöhende Struktur kommen separat eingebaute Einrichtungen oder zusammen mit dem Abgasturboladermodul gefertigte Einrichtungen in Betracht. Als turbulenzerhöhende Strukturen dienen Maßnahmen zur räumlich begrenzten Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Dies kann zum Beispiel durch die Erhöhung der Rauheit der Kanaloberfläche oder durch offenporige Schaumstrukturen im Kanalquerschnitt erfolgen. Ebenso sind Blenden, Erhebungen oder sonstige den Strömungsquerschnitt verändernde Maßnahmen denkbar. In besonders vorteilhafter Weise ist ein mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt offenporiger Metallschaum vorgesehen.
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Der erste Kühlmittelkanal ist Teil eines Kühlmittelkanalsystems der Mehrzylinderbrennkraftmaschine, wobei der erste Kühlmittelkanal über einen ersten Zulauf und einen ersten Rücklauf mit einer Kühlmittelversorgung fluidverbunden ist. Der erste Zulauf kann dabei durch das Zylinderkurbelgehäuse und / oder durch den Zylinderkopf verlaufen. Der erste Rücklauf kann dabei durch den Zylinderkopf und / oder durch das Zylinderkurbelgehäuse verlaufen.
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Der zweite Kühlmittelkanal ist Teil des Kühlmittelkanalsystems, wobei der zweite Kühlmittelkanal über einen zweiten Zulauf und einen zweiten Rücklauf mit der Kühlmittelversorgung fluidverbunden ist. Der zweite Zulauf kann dabei durch das Zylinderkurbelgehäuse und / oder durch den Zylinderkopf verlaufen. Der zweite Rücklauf kann dabei durch den Zylinderkopf und / oder durch das Zylinderkurbelgehäuse verlaufen. Alternativ ist der zweite Kühlmittelkanal vom Kühlmittelkanalsystem separiert und somit unabhängig von Kühlmittelkanalsystem betreibbar.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind der erste Rücklauf und der zweite Rücklauf in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor der Kühlmittelversorgung mittels einer Ventileinheit zusammengeführt, wobei in Abhängigkeit einer Abgastemperatur der Massendurchsatz von Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkanal und durch den zweiten Kühlmittelkanal gesteuert wird.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Mehrzylinderbrennkraftmaschine 1 mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul 2 dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung der Mehrzylinderbrennkraftmaschine 1 mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul 2.
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Das erfindungsgemäß vorteilhafte Ausführungsbeispiel stellt eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine 1 mit flüssigkeitsgekühltem Abgasturboladermodul 2 bereit. Das Abgasturboladermodul 2 umfasst ein eine erste Turbine 3 aufnehmendes Turbinengehäuse 4, ein einen ersten Abgaskrümmer 5 und einen zweiten Abgaskrümmer 6 aufnehmendes Abgaskrümmergehäuse 7, einen ersten Kühlmittelkanal 8 und einen zweiten Kühlmittelkanal 9.
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Der erste Abgaskrümmer 5 ist einer ersten Abgasflut 10 der ersten Turbine 3 und mittels eines ersten Abgaskrümmerarmes 11 einem ersten Abgaskanal 12 eines jeweiligen Zylinders 13 zugeordnet. Der zweite Abgaskrümmer 6 ist einer zweiten Abgasflut 14 der ersten Turbine 3 und mittels eines zweiten Abgaskrümmerarmes 15 einem zweiten Abgaskanal 16 des jeweiligen Zylinders 13 zugeordnet. Das Abgasturboladermodul 2 ist mit einem Zylinderkopf 17 und dieser wiederum mit einem Zylinderkurbelgehäuse 18 der Mehrzylinderbrennkraftmaschine 1 verbunden.
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Der erste Kühlmittelkanal 8 weist einen den ersten Abgaskrümmerarm 11 wenigstens teilweise umgreifenden ersten Abgaskrümmerkühlmantel 19 auf. Der erste Kühlmittelkanal 8 weist einen die erste Turbine 3 wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden und zwischen der ersten Abgasflut 10 und der zweiten Abgasflut 14 angeordneten ersten Turbinenkühlmantel 20 auf.
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Der zweite Kühlmittelkanal 9 weist einen den zweiten Abgaskrümmerarm 15 wenigstens teilweise umgreifenden zweiten Abgaskrümmerkühlmantel 21 auf. Der zweite Kühlmittelkanal 9 weist einen die erste Turbine 3 im Bereich der ersten Abgasflut 10 wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden zweiten Turbinenkühlmantel 22 auf. Der zweite Kühlmittelkanal 9 weist einen die erste Turbine 3 im Bereich der zweiten Abgasflut 14 wenigstens teilweise ringförmig umgreifenden dritten Turbinenkühlmantel 23 auf. Der zweite Turbinenkühlmantel 22 ist mittels eines Überströmkanals 32 mit dem dritten Turbinenkühlmantel 23 fluidverbunden. Des Weiterem ist im zweiten Kühlmittelkanal 9, insbesondere im zweiten Abgaskrümmerkühlmantel 21, im zweiten Turbinenkühlmantel 22 und / oder im dritten Turbinenkühlmantel 23 eine turbulenzerhöhende Struktur 31 angeordnet.
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Der erste Kühlmittelkanal 8 ist Teil eines Kühlmittelkanalsystems 24 der Mehrzylinderbrennkraftmaschine 1, wobei der erste Kühlmittelkanal 8 über einen ersten Zulauf 25 und einen ersten Rücklauf 26 mit einer Kühlmittelversorgung 27 fluidverbunden ist. Der erste Zulauf 25 verläuft durch das Zylinderkurbelgehäuse 18 und durch den Zylinderkopf 17. Der zweite Kühlmittelkanal 9 ist Teil des Kühlmittelkanalsystems 24, wobei der zweite Kühlmittelkanal 9 über einen zweiten Zulauf 28 und einen zweiten Rücklauf 29 mit der Kühlmittelversorgung 27 fluidverbunden ist. Weiter sind der erste Rücklauf 26 und der zweite Rücklauf 29 mittels einer Ventileinheit 30 zusammengeführt, wobei in Abhängigkeit einer Abgastemperatur der Massendurchsatz von Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkanal 8 und durch den zweiten Kühlmittelkanal 9 steuerbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrzylinderbrennkraftmaschine
- 2
- Abgasturboladermodul
- 3
- Turbine
- 4
- Turbinengehäuse
- 5
- erster Abgaskrümmer
- 6
- zweiter Abgaskrümmer
- 7
- Abgaskrümmergehäuse
- 8
- erster Kühlmittelkanal
- 9
- zweiter Kühlmittelkanal
- 10
- erste Abgasflut
- 11
- erster Abgaskrümmerarm
- 12
- erster Abgaskanal
- 13
- Zylinder
- 14
- zweite Abgasflut
- 15
- zweiter Abgaskrümmerarm
- 16
- zweiter Abgaskanal
- 17
- Zylinderkopf
- 18
- Zylinderkurbelgehäuse
- 19
- erster Abgaskrümmerkühlmantel
- 20
- erster Turbinenkühlmantel
- 21
- zweiter Abgaskrümmerkühlmantel
- 22
- zweiter Turbinenkühlmantel
- 23
- dritter Turbinenkühlmantel
- 24
- Kühlmittelkanalsystem
- 25
- erster Zulauf
- 26
- erster Rücklauf
- 27
- Kühlmittelversorgung
- 28
- zweiter Zulauf
- 29
- zweiter Rücklauf
- 30
- Ventileinheit
- 31
- turbulenzerhöhende Struktur
- 32
- Überströmkanal
