-
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine, 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 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 Kühlmittelkanal aufweist.
-
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 des mindestens einen Abgaskrümmers 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 Werkstoff; beispielweise 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 kostenintensiveren 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 40 kW oder mehr betragen kann, wenn zur Herstellung des Gehäuses thermisch wenig belastbare Materialien wie Aluminium verwendet werden. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.
-
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.
-
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine, 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 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 Kühlmittelkanal aufweist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal mindestens eine Kammer angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß wird im Gehäuse mindestens eine Kammer vorgesehen, die als Wärmebarriere fungiert und den direkten Wärmefluß vom Strömungskanal zum Kühlmittelkanal erschwert und dadurch mindert. Zu diesem Zweck ist mindestens eine Kammer zwischen einem Abgas führenden Strömungskanal und einem Kühlmittelkanal angeordnet. Über die konstruktive Ausgestaltung der Kammer, insbesondere die Formgebung, kann Einfluß genommen werden auf die Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung im Gehäuse.
-
Die mindestens eine Kammer führt zu einem verminderten Wärmefluß aus Gehäusebereichen, die zwischen dem Strömungskanal und der Kammer liegen. Gleichzeitig vergrößert sich der Wärmefluß über an der Kammer vorbeiführende Stege, d. h. auch aus Gehäusebereichen, die vom Kühlmittelkanal weiter entfernt und mit diesem über Stege verbunden sind.
-
Beide Effekte tragen zu einer Homogenisierung der Temperaturverteilung im Gehäuse bei, d. h. zu einem Abbau der nach dem Stand der Technik üblicherweise im Gehäuse auftretenden Temperaturgefälle, ohne dass eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen vorgesehen bzw. der Kühlmittelkanal als großflächiger Kühlmittelmantel ausgebildet werden müßte, was – wie beschrieben – mit unvorteilhaft großen abzuführenden Wärmemengen verbunden wäre, die grundsätzlich als problematisch anzusehen sind.
-
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 Anordnung mindestens einer Kammer Einfluß genommen auf die sich im Rahmen der Kühlung im Gehäuse einstellenden Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung. Große Temperaturgradienten, die zu thermischen Spannungen führen und zur Überschreitung der Festigkeit des Werkstoffes führen können, werden auf diese Weise minimiert bzw. gemindert.
-
Die mindestens eine Kammer liegt im erfindungsgemäßen Sinne dann zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem mindestens einen Kühlmittelkanal, wenn die Kammer – im Querschnitt – im Wesentlichen innerhalb einer den Strömungskanal und den Kühlmittelkanal Einhüllenden angeordnet ist.
-
Durch die Ausstattung des Turbinengehäuses mit einem bzw. mehreren Kühlmittelkanälen ist die abführbare Wärmemenge begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
-
Einerseits ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlung den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige Werkstoffe zur Herstellung 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 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 Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.
-
Die 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.
-
Die Turbine kann aber auch als Axialturbine ausgeführt sein, bei der die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, die mit einer Aufladung, vorzugsweise einer Abgasturboaufladung, ausgestattet sind. Eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet, weshalb eine Kühlung der Turbine des Abgasturboladers vorteilhaft ist.
-
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers 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. 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.
-
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 Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
-
Weist der Zylinderkopf zwei Zylinder auf und bilden nur die Abgasleitungen von einem Zylinder eine Gesamtabgasleitung, die in die Turbine mündet, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen, also gewissermaßen zwei Eintrittsbereiche 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.
-
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.
-
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen
- – zwischen dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal mindestens zwei Kammern angeordnet sind, wobei eine gemeinsame Begrenzungswand der mindestens zwei Kammern sich zwischen Kühlmittelkanal und Strömungskanal erstreckt und als Wärmebrücke dient.
-
Über die Ausgestaltung, insbesondere über die Breite der zwischen den Kammern befindlichen und hindurchführenden Begrenzungswand kann weiter Einfluß auf die Wärmeströme und damit auf die Temperaturverteilung im Gehäuse genommen werden.
-
Die Kammern führen zu einem verminderten Wärmefluß aus Gehäusebereichen, die zwischen dem Strömungskanal und den Kammern liegen. Die mindestens zwei Kammern liegen im erfindungsgemäßen Sinne dann zwischen dem mindestens einen Strömungskanal und dem mindestens einen Kühlmittelkanal, wenn die Kammern – im Querschnitt – im Wesentlichen innerhalb einer den Strömungskanal und den Kühlmittelkanal Einhüllenden angeordnet sind.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Kammer mit Luft gefüllt ist. Ohne besondere Maßnahmen füllt die Kammer sich während der Fertigung bzw. Montage in der Regel selbst mit Luft, was die Funktion der Kammer als Wärmebarriere unterstützt. Eine Wärmeübertragung im Bereich der Kammer ist zwar grundsätzlich durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung weiterhin möglich, aber aufgrund der Wärmleitfähigkeit bzw. der isolierenden Wirkung der eingeschlossenen Luft gering, d. h. eingeschränkt.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Kammer mit einem Prozeßfluid gefüllt ist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer gezielt mit einem bestimmten Prozeßfluid gefüllt wird, um die Wirkung der Kammer als Wärmebarriere zu verstärken. Vorzugsweise wird ein Prozeßgas eingesetzt, welches eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist.
-
Idealerweise weist die mindestens eine Kammer ein Vakuum auf. Diese Ausführungsform ist im Hinblick auf die Ausbildung einer Wärmebarriere zwischen dem Strömungskanal und dem Kühlmittelkanal zu bevorzugen, erfordert aber besondere Maßnahmen im Rahmen der Fertigung bzw. Montage, wodurch sich die Kosten erhöhen.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der 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.
-
Grundsätzlich 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 auch, 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 sind auch Ausführungsformen der 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.
-
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein erstes Gehäusebauteil den mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal umfaßt, ein zweites Gehäusebauteil den mindestens einen Kühlmittelkanal aufweist und die beiden Gehäusebauteile im montierten Zustand zusammen die mindestens eine Kammer ausbilden.
-
Ein modularer Aufbau, bei dem mindestens zwei Bauteile miteinander zu verbinden sind, hat den grundsätzlichen Vorteil, dass die einzelnen Bauteile, insbesondere das einen Kühlmittelkanal aufweisende Bauteil, nach dem Baukastenprinzip in unterschiedlichen Ausführungsformen Verwendung finden kann. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht in der Regel die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
-
Bei modular aufgebauten Brennkraftmaschinen mit zwei oder mehr Kühlmittelkanälen (n ≥ 2), sind Ausführungsformen vorteilhaft, die (n + 1) Bauteile umfassen, nämlich ein Gehäusebauteil, das den mindestens einen Strömungskanal umfaßt, und n Gehäusebauteile, die jeweils einen Kühlmittelkanal aufweisen.
-
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.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Turbine zur Ausbildung einer Kühlung mindestens zwei im Gehäuse integrierte Kühlmittelkanäle aufweist.
-
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.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Kühlmittelkanäle auf einem Umfang um den mindestens einen Strömungskanal beabstandet zueinander im Turbinengehäuse angeordnet sind, vorzugsweise regelmäßig zueinander beabstandet.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
-
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.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der 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 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.
-
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.
-
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 der Turbine 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.
-
Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als mit einer Luftkühlung, weshalb Zylinderköpfe der in Rede stehenden Art vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.
-
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, 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.
-
Die 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.
-
Eine Flüssigkeitskühlung erweist sich insbesondere bei aufgeladenen Motoren als vorteilhaft, da die thermische Belastung aufgeladener Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Brennkraftmaschinen deutlich höher ist.
-
Aus dem zuvor Gesagten folgt, dass Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sind, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, 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 Ausführungsformen der 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.
-
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der untere Kühlmittelmantel und/oder der obere Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel 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 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. 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 Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
-
1 das Turbinengehäuse einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Abgasströmung, und
-
2 das Turbinengehäuse einer zweiten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Abgasströmung.
-
1 zeigt das Turbinengehäuse 1 einer ersten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Abgasströmung.
-
Der Turbine wird Abgas einer Brennkraftmaschine via Abgasleitung zugeführt (nicht dargestellt). Die ein Turbinengehäuse 1 aufweisende Turbine verfügt über einen das Abgas durch die Turbine führenden Strömungskanal 2, der im Gehäuse 1 implementiert ist.
-
Zur Ausbildung einer Kühlung sind im Gehäuse 1 drei Kühlmittelkanäle 3 integriert, die auf einem Umfang um den Strömungskanal 2 regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
-
Zwischen jedem der drei Kühlmittelkanäle 3 und dem einen Abgas führenden. Strömungskanal 2 sind jeweils zwei Kammern 4a, 4b vorgesehen. Die gemeinsame, mittig zwischen zwei Kammern 4a, 4b verlaufende Begrenzungswand 5 erstreckt sich zwischen dem jeweiligen Kühlmittelkanal 3 und dem Strömungskanal 2 und dient als Wärmebrücke. Die insgesamt sechs Kammern 4a, 4b der in 1 dargestellten Ausführungsform sind mit Luft gefüllt. Das gesamte Gehäuse 1 mitsamt dem Strömungskanal 2, den Kühlmittelkanälen 3 und den Kammern 4a, 4b ist ein einstückig gegossenes Bauteil, d. h. ein monolithisch ausgebildetes Bauteil.
-
2 zeigt das Turbinengehäuse 1 einer zweiten Ausführungsform in einem Schnitt senkrecht zur Abgasströmung. 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.
-
Das in 2 dargestellte Turbinengehäuse 1 ist modular aus vier Bauteilen 1a, 1b, 1c, 1d aufgebaut, die im montierten Zustand stoffschlüssig miteinander verbunden, nämlich verschweißt sind. Ein erstes Gehäusebauteil 1a umfaßt den Strömungskanal 2. Drei weitere Gehäusebauteile 1b, 1c, 1d weisen jeweils einen Kühlmittelkanal 3 auf.
-
Die vier Gehäusebauteile 1a, 1b, 1c, 1d bilden im montierten Zustand zusammen die sechs Kammern 4a, 4b aus.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Turbinengehäuse, Gehäuse
- 1a
- Gehäusebauteil, erstes Gehäusebauteil
- 1b
- Gehäusebauteil, zweites Gehäusebauteil
- 1c
- Gehäusebauteil, drittes Gehäusebauteil
- 1d
- Gehäusebauteil, viertes Gehäusebauteil
- 2
- Strömungskanal
- 3
- Kühlmittelkanal
- 4a
- Kammer
- 4b
- Kammer
- 5
- Begrenzungswand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008011257 A1 [0012]
- EP 1384857 A2 [0013]
- DE 102007017973 A1 [0014]