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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit
einem temperaturbelasteten Turbinengehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, die Verwendung eines Hitzeschildes nach dem Oberbegriff des Anspruchs
8 und eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs
9.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
100 23 022 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und
einem Zusatzverdichter bekannt. Der Zusatzverdichter ist mit dem
Abgasturbolader parallel oder in Reihe geschaltet, dabei weist der
Zusatzverdichter einen von der Brennkraftmaschine unabhängigen Antrieb
auf. Bei der Anordnung des Zusatzverdichters im Abgastrakt ist dieser
thermisch entkoppelt angeordnet, dabei ist die vom Abgastrakt ausgehende Temperaturbeanspruchung
verringert. Hierzu ist eine Anbindung über einen Flansch mit geringer
Wärmeleitfähigkeit
oder eine Abschirmung mittels Hitzeschild vorgeschlagen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, das
Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern und eine
verbesserte Ausnutzung des Bauraumes im Motorraum zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruches
1, ein Abschirmelement nach Anspruch 8 und eine Brennkraftmaschine
nach Anspruch 9 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader zeichnet
sich dadurch aus, dass dem Turbinengehäuse ein Abschirmelement bestehend
aus einem oder mehreren flächig übereinander
angeordneten Schalenteilen zur Reduzierung von Wärmeübertragung zwischen Turbinengehäuse und
dessen Umgebung zugeordnet ist. Eine Schale des Abschirmelementes
ist vorzugsweise aus einem steifen, temperaturbeständigen Material
mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
Optional sind darauf vorzugsweise weitere Schichten bestehend aus
thermischen Isolierungselementen, Reflexionsfolien oder weitere
steife Schalen angeordnet. Das Abschirmelement bewirkt einerseits,
dass sich der Abgasturbolader und ein im Abgasstrom dahinter angeordneter
Katalysator aufgrund der isolierenden Wirkung nach dem Kaltstart schneller
erwärmen.
Dadurch ist das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert.
Die Abschirmung verhindert andererseits vorteilhaft eine Schädigung der
benachbarten Bauteile durch Wärmestrahlung,
wenn beim Betrieb sehr hohe Temperaturen am Turbinengehäuse des
Abgasturboladers auftreten.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist dem Turbinengehäuse ein Abschirmelement bestehend
aus einem oder mehreren flächig übereinander
angeordneten Schalenteilen zur Reduzierung von Schallübertragung
zwischen Turbinengehäuse
und dessen Umgebung zugeordnet. Der durch die Dynamik der Turbine
und den Abgasstrom entstehende Schall überträgt sich an das Gehäuse und
von dort über
Luft an die Umgebung. Die dem Abschirmelement zugeordneten Schalenteile
absorbieren den auftreffenden Luftschall und reduzieren die Schallemission
an die Umgebung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement über ein
wärmeleitendes
Festkörperelement
mit einer gekühlten
Komponente der Brennkraftmaschine und/oder mit einem Karosseriebauteil
verbindbar. Die Kühlung
der Brennkraftmaschine erfolgt über
einen Wasser- und/oder Ölkreislauf.
Karosseriebauteile haben aufgrund der Kühlung durch Wärmeabgabe über eine
große
Oberfläche
an die Umgebung ein niedrigeres Temperaturniveau als im Motorraum
angeordnete Bauteile. Durch eine Festkörperverbindung des Abschirmelementes
an ein gekühltes
Motorbauteil und/oder an ein Karosseriebauteil vorzugsweise einen
Radlauf oder eine Spritzwand, erfolgt die Wärmeabfuhr des Abschirmelements
nicht an die Umgebungsluft im Motorraum, sondern an eine Komponente
mit weitgehend konstanter Temperatur. Damit ergibt sich eine von
einer Umströmung
des Abschirmelementes unabhängige, von
dem gekühlten
Bauteil bestimmte Oberflächentemperatur
des Abschirmelements.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement über ein
wärmeleitendes
Festkörperelement
mit einem oder mehreren Zylinderköpfen verbunden. Wassergekühlte Zylinderköpfe weisen
eine weitgehend konstante Temperatur auf. Wärme fließt vom Abschirmelement über die
Festkörperelemente
zu den Zylinderköpfen
und wird von dort über
das Kühlwasser
abgeführt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement über ein
wärmeleitendes
Festkörperelement
mit einem vom Kühlwasser
durchströmten
Kurbelgehäuse
der Brennkraftmaschine verbunden. Die Verbindung ist vorzugsweise über ein Schalenteil
des Abschirmelementes mit guten Wärmeleiteigenschaften hergestellt.
Durch die Wärmeabfuhr über die
große
Oberfläche
des Kurbelgehäuses
sowie über
den Kühlwasserkreislauf
ergibt sich demzufolge eine effektive Kühlung des Abschirmelementes.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung folgt die Form des Abschirmelements
zumindest bereichsweise der Außenkontur
des Turbinengehäuses
mit einem näherungsweise
konstanten Abstand. Durch eine weitgehende Angleichung der Form
an das Turbinengehäuse
ist auf der vom Turbinengehäuse
abgewandten Seite des Abschirmelementes der maximal mögliche Bauraum
geschaffen. Durch die Angleichung der Kontur des Abschirmelementes
an die Form des Turbinengehäuses
sind große
Teile der Oberfläche
des Turbinengehäuses
gegenüber
der Umgebung isoliert, wodurch ein schnelles Aufwärmen nach
dem Kaltstart ermöglicht
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement thermisch
entkoppelt dem Turbinengehäuse
zugeordnet. Das Abschirmelement ist hierzu über eine Befestigung mit geringer
Wärmeleitfähigkeit
vorzugsweise durch Kunststoffbefestigungsmittel direkt auf dem Turbinengehäuse angebracht.
Alternativ ist das Abschirmelement über einen Luftspalt vom Turbinengehäuse getrennt
angeordnet und die Befestigung erfolgt am Motor oder an der Karosserie,
vorzugsweise über
wärmeabführende Anbindungselemente.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
eines Abschirmelementes zeichnet sich dadurch aus, dass das Abschirmelement
einem Abgasturbolader im Bereich des Turbinengehäuses zugeordnet ist. Die Anordnung
des Abschirmelementes am Turbinengehäuse des Abgasturboladers begünstigt einerseits ein
schnelles Aufwärmen
des Turbinengehäuses
und des im Abgasstrom dahinter angeordneten Katalysators nach dem
Kaltstart, andererseits ist im Betrieb die Wärmeübertragung vom heißen Turbinengehäuse an die
Umgebung reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
V-förmiger
Zylinderanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen den Zylinderköpfen ein
erfindungsgemäßer Abgasturbolader
angeordnet ist. Durch das dem Turbolader zugeordnete Abschirmelement
ist die Wärmeübertragung
vom heißen
Turbinengehäuse
an die Umgebung reduziert, dadurch ist der dem Abschirmelement abgewandte
Bauraum für die
Anordnung von weiteren Bauteilen insbesondere aus Kunststoff nutzbar
und eine kompaktere Abmessung der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Darüber
hinaus zeigt die Brennkraftmaschine beim Kaltstart durch die isolierende
Wirkung des Abschirmelementes ein verbessertes Aufwärmverhalten
und damit verbesserte Abgasemissionswerte.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie der Zeichnung. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine Darstellung eine
Darstellung der Anordnung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einem
Abschirmelement in der Draufsicht und
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2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
mit einem Abschirmelement in perspektivischer Darstellung.
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Gleiche
Bauteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein
Kraftfahrzeug weist eine Karosserie auf, die aus verschiedenen Karosseriebauteilen
wie z.B. Radlauf, Spritzwand, Motorhaube usw. aufgebaut ist. In
einem von Karosseriebauteilen umgrenzten Motorraum ist eine Brennkraftmaschine
mit V-förmiger
Zylinderanordnung angeordnet, die zum Antrieb des Kraftfahrzeuges
dient. Die Brennkraftmaschine ist über einen Wasserkreislauf gekühlt, das
in der Brennkraftmaschine erwärmte
Wasser gibt über
einen fahrtwinddurchströmten
Kühler
Wärmeenergie an
die Umgebung ab. In einer modifizierten Ausführungsform kommt ein Motorölkühler zum
Einsatz, über
diesen Kühler
gibt das Motoröl
zusätzliche
Wärmeenergie
an die Umgebung ab. In dem Motorraum sind weitere Bauteile wie Abdeckungen,
Saugrohre, Schläuche
und elektrische Leitungen angeordnet, die vorwiegend in Kunststoff
ausgeführt
sind. Zur Verminderung des Luftwiderstandes und zur Reduzierung
von Schallemissionen an die Umgebung ist der Motorraum häufig gekapselt
ausgeführt.
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Sowohl 1 als auch 2 zeigen zwei Zylinderköpfe 4 der
Brennkraftmaschine mit V-förmiger
Zylinderanordnung und einen zwischen den Zylinderbänken platzierten
Abgasturbolader 7. Die Zylinderköpfe 4 und das nicht
gezeigte Kurbelgehäuse sind
vorwiegend durch Wasser, teilweise auch durch Öl, gekühlt.
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Viele
Motoranbauteile wie Saugrohr, Schaltventile oder Gehäuse von
weiteren Motorkomponenten sind aus Kosten- und Gewichtgründen aus
Kunststoff hergestellt.
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Der
zwischen den Zylinderköpfen 4 entstehende
Bauraum ist vorteilhaft durch die Anordnung des Abgasturboladers 7 ausgenutzt.
An dieser Position ergeben sich kurze Wege vom Abgasturbolader 7 zum
Ansaug- und Abgastrakt. Kurze Wege bedeuten geringe Druckverluste
und eine einfache, kostengünstige
Gestaltung der Verbindungselemente. Der Abgasturbolader 7 ist
im wesentlichen aus einer Turbine, einem Turbinengehäuse 1, einem
Verdichter sowie einem Verdichtergehäuse 6 aufgebaut. Der
in der Brennkraftmaschine durch Verbrennung eines Luft- und Kraftstoffgemisches
entstehende Abgasstrom treibt die Turbine an. Die Turbine treibt
wiederum über
eine mechanische Koppelung einen Verdichter an, dieser saugt zusätzliche
Frischluft an und fördert
diese unter Druck in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Durch
den Einsatz eines Abgasturboladers 7 lässt sich die Literleistung
einer Brennkraftmaschine erheblich steigern. Die starke Umlenkung
des Abgasstroms und die hohe Drehzahl der Turbine führt zu hochfrequenten
Geräuschen, welche
sich vom Turbinengehäuse 1 über Luftschall an
die Umgebung übertragen.
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Aufgrund
der Motorkapselung ist die Luftdurchströmung des Motorraums sehr gering.
Insbesondere im Bereich zwischen den Zylinderköpfen 4 gibt es nahezu
keinen Luftaustausch. Das Turbinengehäuse 1, das vom Abgas
durchströmt
ist, nimmt sehr hohe Temperaturen von bis zu 1000°C an. Die Lufttemperatur
im Bereich des Turbinengehäuses 1 ist
sehr hoch. Gekühlte
Motorbauteile haben demgegenüber
eine deutlich niedrigere Temperatur bis max. 130°C. Aber auch Karosseriebauteile
weisen aufgrund der Möglichkeit, über ihre
große
Oberfläche Wärme an die
Umgebung abzugeben, ein niedriges Temperaturniveau auf (<100°C).
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In
den Figuren ist ein Abschirmelement 2 gezeigt, das aus
einem Schalenteil besteht. Dieses ist vorzugsweise aus einem steifen
hitzebeständigen Material
hergestellt, so dass auch bei Erschütterungen, mechanischer und
thermischer Belastung die Form erhalten bleibt. In einer modifizierten
Ausführungsform
sind auf diesem Schalenteil weitere Schichten aufgebracht, vorzugsweise
aus zur Wärmeisolierung
geeigneten Materialien oder reflektierenden Folien. Durch das Abschirmelement 2 ist
eine Übertragung
der Wärme
vom heißen
Turbinengehäuse 1 an
die Umgebung reduziert. Um die wärmeisolierende
Wirkung zu erhöhen
sind weitere Schichten von Isoliermaterial aufgebracht. Damit lassen
sich benachbarte Bauteile näher
an dem Turbinengehäuse 1 positionieren
und/oder aus einem kostengünstigeren
Werkstoff herstellen. In einer weiter modifizierten Ausführungsform
sind auf dem Schalenteil auf der dem Turbinegehäuse zugewandten Seite schalldämmende Schichten
und/oder Strukturen aufgebracht. Der gezielte Einsatz von schallabsorbierenden
Werkstoffen als zusätzliche
Schicht des Abschirmelements 2 optimiert vorteilhaft das
Geräuschverhalten
des Abgasturboladers 7 und des Kraftfahrzeuges. Die dem
Schalenteil zugeordneten wärme-
und oder schallisolierenden Schichten sind durch Kleben oder durch
mechanische Vorrichtungen wie z.B. Halter oder Clipse befestigt.
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Die
Form des Abschirmelementes 2 ist dem Turbinengehäuse 1 angepasst
und diesem in einem Abstand von ca. 10mm zugeordnet. Durch die Anpassung
der Form des Abschirmelements 2 an das Turbinengehäuse 1 sind
große
Teile der Oberfläche gegenüber der
Umgebung abgedeckt. Durch die damit verbundene Isolationswirkung
des Abschirmelements 2 wärmen sich das Turbinengehäuse 1 und der
im Abgasstrom danach angeordnete Katalysator schneller auf und die
Emissionen sind reduziert. Die thermisch entkoppelte Anordnung des
Abschirmelements 2 zum Turbinengehäuse 1 über die
Festkörperelemente 3 verhindert
einen Wärmeabfluss
vom Turbinengehäuse
zu dem Abschirmelement 2. Damit ist eine Abkühlung des
Abgasstromes im Turbinengehäuse
reduziert und ein schnelles Aufheizen des Katalysators gewährleistet.
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Das
Abschirmelement 2 ist vorzugsweise über zwei gut leitende Festkörperelemente 3 mit
den Zylinderköpfen 4 verbunden.
In einer weitergebildeten Ausführungsform
ist die Außenschale 5 des
Abschirmelements 2 zusätzlich
oder alternativ mit einem anderen gekühlten Motorbauteil, wie dem
Kurbelgehäuse,
oder mit einem Karosseriebauteil verbunden. Die Verbindung des Abschirmelements 2 mit einem
gekühlten
Bauteil senkt dessen Oberflächentemperatur,
Bauteile können
damit näher
am Turbinengehäuse 1 angebracht
oder aus einem kostengünstigeren,
weniger temperaturbeständigen
Werkstoff hergestellt werden. Die Auslegung der Querschnitte der
wärmeleitenden
Festkörperelemente 3 und
der Kontaktflächen
mit den gekühlten
Bauteile erfolgt rechnerisch oder ist über Versuche zu ermitteln.
Diese richten sich nach der maximal zulässigen Temperatur der Oberfläche 5 des
Abschirmelements 2.
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In
einer weiter modifizierten Ausführungsform
besteht das Abschirmelement 2 aus einer wärmeleitenden
Außen-
und Innenschale mit dazwischenliegender Isolationsschicht. Die Isolationsschichten
sind zweckmäßigerweise
aufgeklebt und/oder zwischen dem aus einer Außen- und Innenschale gebildeten
Hohlraum gefangen.
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In
einer weiter modifizierten Ausführungsform
ist das Abschirmelement 2 über nicht dargestellte vorzugsweise
thermisch isolierende Befestigungselemente auf dem Turbinengehäuse 1 befestigt.
Der Abgasturbolader 7 bildet dann zusammen mit dem Abschirmelement 2 eine
Baueinheit, so daß eine
zusätzliche
Montage des Abschirmelements entfällt.