DE102017200086A1

DE102017200086A1 - Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und minimal gekühlter Turbine

Info

Publication number: DE102017200086A1
Application number: DE102017200086.4A
Authority: DE
Inventors: Joachim Hansen; Kai Kuhlbach; Stefan Quiring; Jan Mehring; Ludwig Stump; Carsten Weber; Helmut Ruhland
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2017-07-27
Also published as: MX2017001072A; US20170211419A1; CN106996320A; US10273828B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine (1), bei der – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, – 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 (6a) gelagertes Laufrad (6) umfasst, und – zur Ausbildung einer Kühlung (3) des Turbinengehäuses (1a) mindestens ein Kühlmittelkanal (3a) vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist. Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ausbildung der Kühlung der Turbine (1) optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – eine abgasbeaufschlagte Fläche Aexhaust des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals (2) und eine kühlmittelbeaufschlagte Fläche Acoolant des mindestens einen Kühlmittelkanals (3a) ein Flächenverhältnis Acoolant/Aexhaust bilden, wobei gilt: Acoolant/Aexhaust ≤ 1,2.

Description

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

– der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– 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
– zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses mindestens ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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 der Ventiltriebe. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Abgase über die Auslassöffnungen und das Füllen des Brennraums 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 eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Die Ansaugleitungen, die zu den Einlassöffnungen führen, und 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 geleitet.
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 bzw. für den nickelhaltigen Stahlguss 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 Grauguss oder Eisenguss, gefertigt werden könnte, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass eine motornahe Anordnung der Turbine angestrebt wird und 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. Ein voluminöses Gehäuse bringt einen entsprechend hohen Materialeinsatz mit sich. Der Kostenvorteil fällt daher bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatzes besonders deutlich aus. Die Verwendung von Aluminium hätte im Hinblick auf das Gewicht der Turbine einen zusätzlichen Vorteil.
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 mit 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.
Die WO 2010/039590 A2 beschreibt eine flüssigkeitsgekühlte Turbine, bei der zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung Kühlmittelkanäle im Turbinengehäuse ausgebildet bzw. integriert sind.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität einer Flüssigkeit, insbesondere des üblicherweise eingesetzten Wassers, können dem Gehäuse mittels Flüssigkeitskühlung große Wärmemengen entzogen werden. Die Wärme wird im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel abgegeben und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher wieder entzogen.
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.
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.
Zwar werden moderne Kraftfahrzeugantriebe 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 eines Fahrzeuges, in dem 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, gemäß dem Kammern im Turbinengehäuse 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 bzw. in das Kühlmittel erschwert und infolgedessen 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 das Entfernen der für den Herstellungsprozess mittels Gießen erforderlichen Kerne. Im Einzelfall ist ein modularer, d. h. mehrteiliger Aufbau des Turbinengehäuses unumgänglich.
Andere Konzepte zur Begrenzung der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärmemenge beschränken die räumliche Ausdehnung des mindestens einen Kühlmittelkanals im Gehäuse der Turbine oder sehen kühlmittelseitig eine Wärmeisolierung vor. Ein Konzept der erstgenannten Art sieht beispielsweise vor, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal das Laufrad der Turbine nicht – ähnlich einem Kühlmittelmantel – vollständig einhüllt, d. h. ummantelt, sondern den Strömungskanal in Umfangsrichtung lediglich in einem begrenzten Winkelbereich α überstreicht, beispielsweise mit α ≤ 45°.
Eine übermäßige Kühlung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses führt zudem und zwangsläufig zu einer entsprechend deutlichen Abkühlung des durch die Turbine hindurchgeführten Abgases. Dies ist aber grundsätzlich nicht gewollt. Zum einen soll nämlich die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich von der Abgastemperatur mit bestimmt wird, optimal zur Energiegewinnung genutzt werden können. Zum anderen wird das Abgas stromabwärts der Turbine regelmäßig einer Abgasnachbehandlung unterzogen und die eingesetzten Abgasnachbehandlungssysteme benötigen eine ausreichend hohe Abgastemperatur zur Konvertierung der Schadstoffe.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ausbildung 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,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– 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
– zur Ausbildung einer Kühlung des Turbinengehäuses mindestens ein Kühlmittelkanal vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist,

– eine abgasbeaufschlagte Fläche A_exhaust des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals und eine kühlmittelbeaufschlagte Fläche A_coolant des mindestens einen Kühlmittelkanals ein Flächenverhältnis A_coolant/A_exhaust bilden, wobei gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 1,2.

Erfindungsgemäß wird die kühlmittelbeaufschlagte Fläche A_coolant der Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses größenmäßig beschränkt, d. h. in der Ausdehnung limitiert. Dies dient der Verminderung bzw. der Begrenzung der vom Kühlmittel aufgenommenen bzw. aufzunehmenden Wärmemenge. Die Größe der kühlmittelbeaufschlagten Fläche ist ein für den Wärmeübergang maßgeblicher Parameter, insbesondere für den Wärmeübergang infolge Konvektion.
Ausgehend von der im Einzelfall vorliegenden abgasbeaufschlagten Fläche A_exhaust des Turbinengehäuses, die von dem mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal gebildet wird, darf die kühlmittelbeaufschlagte Fläche A_coolant des mindestens einen Kühlmittelkanals nicht größer sein als das 1,2-fache der abgasbeaufschlagten Fläche. Die kühlmittelbeaufschlagte Fläche der Gehäusekühlung beträgt maximal 120% der abgasbeaufschlagten Fläche des Turbinengehäuses.
Über die konstruktive Ausgestaltung bzw. Formgebung des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals sowie des mindestens einen Kühlmittelkanals, deren Flächenverhältnis 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.
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 größenmäßige Begrenzung der kühlmittelbeaufschlagten Fläche A_coolant des mindestens einen Kühlmittelkanals die abzuführende Wärmemenge gemindert bzw. limitiert. Damit entfällt die Problematik, große vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen.
Einerseits ermöglicht die erfindungsgemäße Turbinenkühlung 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 oder Eisenguss, der gegebenenfalls mit Zusätzen wie beispielsweise Silizium-Molybdän (SiMo) versehen ist.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine 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 mindestens eine Strömungskanal zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zum Turbinenlaufrad 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.
Die vorstehenden Ausführungsformen betreffend die Turbine umfassen sämtliche Bauformen der Mixed-Flow-Turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung, vorzugsweise eine Abgasturboaufladung, vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen 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 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 und zwei Fluten auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal bzw. eine Flut 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 Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 1,0.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,8.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,65.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,55.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,50.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,48 bzw. 0,45.
Die vorstehenden Ausführungsformen tragen dem Umstand Rechnung, dass das Flächenverhältnis A_coolant/A_exhaust zwar grundsätzlich kleiner als im Stand der Technik zu wählen ist bzw. gewählt wird, um die in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge zu begrenzen, aber auch dem jeweiligen Einzelfall bzw. Anwendungsfall anzupassen ist. Die Abgasmenge sowie die Abgastemperatur haben dabei maßgeblich Einfluss auf das realisierbare Flächenverhältnis.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein zusätzlicher Kühlmittelkanal durch eine Gehäusezunge, welche das Turbinengehäuse am Ende des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals ausbildet, hindurchführt.
Die Gehäusezunge, die das Ende des Abgas führenden Strömungskanals darstellt bzw. mit ausbildet und möglichst nahe an das umlaufende Laufrad heranreicht, ist der thermisch am höchsten belastete Bereich des Turbinengehäuses. Dies hat gleiche mehrere Gründe.
Zumindest bei Radialturbinen passiert ein Teil des Abgases die Gehäusezunge gleich zweimal, nämlich einmal beim Eintritt in das Turbinengehäuse, d. h. beim Eintritt in den sich ringförmig um das Laufrad erstreckenden Abgas führenden Strömungskanal, und ein zweites Mal beim finalen Eintritt in das rotierende Laufrad am Ende des Strömungskanals. Folglich wird die Gehäusezunge von beiden Seiten mit heißem Abgas beaufschlagt, wobei die vom Abgas in die Zunge eingebrachte Wärme mittels Wärmeleitung grundsätzlich nur über einen schmalen Steg, mit welchem die Zunge mit dem eigentlichen Turbinengehäuse verbunden ist, abgeführt werden kann. Die Zunge wird nicht nur auf beiden Seiten vom heißen Abgasstrom thermisch beansprucht, sondern auch an ihrem freien Ende, das dem Laufrad gegenüberliegt und ebenfalls mit heißen Abgas beaufschlagt ist.
Zudem wird die Abgasströmung von der Gehäusezunge mehr oder weniger stark umgelenkt, um das Abgas auf das Laufrad zu leiten. Die Abgasströmung trifft dabei auf die Gehäusezunge und weist eine Geschwindigkeitskomponente auf, die senkrecht auf der Wandung der Zunge steht, wodurch der Wärmeübergang infolge Konvektion und folglich die thermische Belastung der Gehäusezunge erhöht wird.
Wird mindestens ein zusätzlicher Kühlmittelkanal vorgesehen, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine zusätzliche Kühlmittelkanal im Wesentlichen parallel zur Welle der Turbine verläuft.
Der zusätzliche Kühlmittelkanal wird vorzugsweise im Rahmen einer Nachbearbeitung in das Gehäuse eingebracht, beispielsweise mittels Bohren, und verläuft dann vorzugsweise geradlinig.
Die kühlmittelbeaufschlagte Fläche des mindestens einen zusätzlichen Kühlmittelkanals geht in das Flächenverhältnis A_coolant/A_exhaust mit ein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Laufrades von mindestens einem Abgas führenden Strömungskanal abzweigt.
Die Auslegung der Abgasturboaufladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird.
Nach dem Stand der Technik wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht. Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels der Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. Das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine ist deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt, weshalb die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist.
Es sei erwähnt, dass die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden kann, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Wird eine Bypassleitung vorgesehen, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mindestens eine Bypassleitung stromabwärts des mindestens einen Laufrades in das Abgasabführsystem mündet. Schon im Hinblick auf eine gemeinsame Abgasnachbehandlung ist ein Zusammenführen des gebypassten Abgases mit dem übrigen, durch die Turbine geführten Abgas sinnvoll und vorteilhaft.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang wiederum Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Bypassleitung in einen Austrittsbereich der Turbine mündet. Dies gestattet eine kompakte Bauweise der gesamten Turbineneinheit mitsamt Bypassleitung.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang des weiteren Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Bypassleitung zumindest bereichsweise unter Verwendung der Kühlung gekühlt ist. Die Bypassleitung und insbesondere das in der Bypassleitung vorgesehene Absperrelement sind thermisch hoch belastete Komponenten. Bei dem Absperrelement dient die Kühlung insbesondere der Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit des Absperrelements.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Welle der Turbine in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse – vorzugsweise laufradseitig – mindestens einen Kühlmittelkanal aufweist. Das flüssigkeitsgekühlte Lagergehäuse ergänzt und unterstützt die Kühlung des Turbinengehäuses.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelkanal des Lagergehäuses mit der Kühlung des Turbinengehäuses fluidisch zumindest verbindbar ist.
Ist der mindestens eine im Lagergehäuse vorgesehene Kühlmittelkanal mit der Kühlung des Turbinengehäuses verbindbar bzw. 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 des Turbinengehäuses als auch für den mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses verwendet werden können, was zu Synergien und Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. Ein dichteres Packaging ist ein weiterer Vorteil.
So werden vorzugsweise nur eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Behältnis zur Bevorratung des Kühlmittels vorgesehen. Die im Lagergehäuse und im Turbinengehäuse an das Kühlmittel abgegebene Wärme kann dem Kühlmittel in einem gemeinsamen Wärmetauscher entzogen werden. Darüber hinaus kann der mindestens eine Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses den mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses mit Kühlmittel versorgt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine erste Versorgungsleitung zum Zuführen von Kühlmittel vorgesehen ist, die in den mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses einmündet und von der Kühlung des Turbinengehäuses abzweigt, und/oder eine zweite Versorgungsleitung zum Abführen von Kühlmittel vorgesehen ist, die von dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses abzweigt und in die Kühlung des Turbinengehäuses mündet. Die Kühlung des Lagergehäuses und die Kühlung des Turbinengehäuses können insbesondere in Reihe hintereinander oder parallel zueinander angeordnet bzw. geschaltet sein.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Turbine über einen Turbineneintrittsbereich und/oder einen Turbinenaustrittsbereich verfügt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass im Turbineneintrittsbereich und/oder im Turbinenaustrittsbereich abgasseitig und zumindest bereichsweise eine Wärmeisolierung vorgesehen ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gehört der Turbineneintrittsbereich bzw. der Turbinenaustrittsbereich zum Turbinengehäuse und damit auch zur Turbine.
Die den Turbineneintrittsbereich bzw. Turbinenaustrittsbereich bildenden Wandungen begrenzen das Abgasabführsystem eintrittsseitig bzw. austrittsseitig und sind – zumindest bereichsweise – mit einer Wärmeisolierung versehen, d. h. beschichtet, verkleidet, oberflächenbehandelt oder dergleichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung zeichnet sich eine Wärmeisolierung gegenüber dem verwendeten Gehäusewerkstoff ganz allgemein dadurch aus, dass die Wärmeisolierung eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als dieser Werkstoff. Die Wärmedurchlässigkeit der wärmeübertragenden Fläche, d. h. der Wandungen, wird gesenkt, wobei auch erfindungsgemäß grundsätzlich Wärme eingebracht werden kann, aber eben weniger als nach dem Stand der Technik.
Vorliegend wird der eintrittsseitige bzw. austrittsseitige Wärmeeintrag in die Turbine durch Einbringen einer Wärmeisolierung erschwert, so dass im Einzelfall auf eine Kühlung des Turbineneintrittsbereichs bzw. Turbinenaustrittsbereichs verzichtet werden kann, aber nicht verzichtet werden muss.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Turbineneintrittsbereich bzw. der Turbinenaustrittsbereich keine Kühlung bzw. keinen Kühlmittelkanal aufweist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die abgasbeaufschlagte Fläche A_exhaust des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung ausgestattet ist. Hinsichtlich der Wärmeisolierung gilt das vorstehend bereits Gesagte. Insbesondere kann die Wärmeisolierung mehrteilig sein bzw. als Hitzeschild ausgebildet werden, wobei eine lagergehäuseseitige und eine turbinengehäuseseitige Wärmeisolierung vorgesehen werden können.
Vorteilhaft sind insbesondere in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kombination umfassend das Turbinengehäuse und das Lagergehäuse modular aufgebaut ist, in der Art, dass das Lagergehäuse den mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal mit ausbildet und mitbegrenzt.
Der modulare Aufbau der Kombination erleichtert die Montage der Wärmeisolierung, d. h. das Einbringen der Wärmeisolierung in den mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Turbinengehäuse mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Strömungskanal ein einstückig gegossenes Bauteil ist. Im Einzelfall gehören der Turbineneintrittsbereich bzw. der Turbinenaustrittsbereich ebenfalls zu dem monolithisch ausgebildeten Bauteil; gegebenenfalls auch ein Waste-Gate.
Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne lässt sich eine komplexe Struktur in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung und die Montage des Laufzeugs erforderlich sind, um die Turbine auszubilden. Die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform sind insbesondere die kompakte Bauweise sowie der Wegfall von zusätzlichen Montagearbeiten und dergleichen.
Vorteilhaft ist es insbesondere, das monolithische Bauteil aus Grauguss oder Eisenguss zu fertigen.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Turbinengehäuse mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal und dem mindestens einen Strömungskanal 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. Die mindestens zwei Bauteile können kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei oder drei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Es ist die Aufgabe der Ventiltriebe 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 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 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 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 ist dabei, 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.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, 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 der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit mindestens einem Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses verbunden ist.
Ist der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Turbinengehäuses 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 des Turbinengehäuses 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 des Turbinengehäuses via Zylinderkopf mit Kühlmittel versorgt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Kühlmittelkanal im Turbinengehäuse zumindest abschnittsweise schlaufenförmig um die Welle verläuft. Ein Kühlmittelkanal muss vorliegend keine vollständige Schlaufe ausbilden, sondern nur den Abschnitt einer Schlaufe oder eben mehr, d. h. zumindest einen bogenförmigen Abschnitt, der sich umfänglich um die Welle der Turbine legt bzw. erstreckt; gegebenenfalls auf einem kreisförmigen Bogen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise seitlich von mindestens einem Abgas führenden Strömungskanal und in Richtung der Welle beabstandet zu diesem Strömungskanal verläuft. Ein Kühlmittelkanal kann dabei auch die Seiten wechseln, d. h. seitlich vom Abgas führenden Strömungskanal verlaufen und dann über den Strömungskanal hinweg auf die andere Seite des Strömungskanals führen, um sich dort seitlich vom Strömungskanal weiter zu erstrecken. Vorzugsweise haben der Kühlmittelkanal und der Strömungskanal den gleichen Abstand zur Welle.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sich mindestens ein Kühlmittelkanal zumindest abschnittsweise umfänglich um und beabstandet zu mindestens einem Strömungskanal erstreckt. Der Kühlmittelkanal und der Strömungskanal weisen dann zumindest abschnittsweise einen unterschiedlich großen Abstand zur Welle auf.
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.
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 1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a einige Gusskerne der flüssigkeitsgekühlten Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades,
1b die in 1a dargestellten Gusskerne in einer um 90° gedrehten Ansicht mit Blick senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades, und
2 die Radialturbine einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Welle des Turbinenlaufrades.
1a zeigt einige Gusskerne der flüssigkeitsgekühlten Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse 6a des Turbinenlaufrades. Die Drehachse 6a für das Laufrad der Turbine steht folglich senkrecht auf der Zeichenebene. 1b zeigt die in 1a dargestellten Gusskerne in einer um 90° gedrehten Ansicht mit Blick senkrecht zur Welle 6a des Turbinenlaufrades.
Die Gusskerne dienen der Ausbildung der Hohlräume 2, 3a des Turbinengehäuses und damit insbesondere der Ausbildung des Abgas führenden Strömungskanals 2 sowie des zur Ausbildung einer Kühlung 3 vorgesehenen Kühlmittelkanals 3a.
Das Kühlmittel tritt in den Kühlmittelkanal 3a ein, der sich gabelt und schlaufenförmig, vorliegend kreisförmig, um die Welle 6a legt und seitlich vom Strömungskanal 2 und in Richtung der Welle 6a beabstandet zum Strömungskanal 2 verläuft. Der Kühlmittelkanal 3a wechselt stromabwärts die Seiten, d. h. führt über den Strömungskanal 2 hinweg auf die andere Seite des Strömungskanals 2, um sich dort seitlich vom Strömungskanal 2 bzw. lagergehäuseseitig weiter bis hin zum Kühlmittelaustritt zu erstrecken (durch Pfeile kenntlich gemacht).
Der Turbine wird Abgas der Brennkraftmaschine zugeführt. Das Abgas tritt via Turbineneintrittsbereich 5a in das Turbinengehäuse bzw. den Strömungskanal 2 ein (durch Doppel-Pfeil kenntlich gemacht).
Der das Abgas durch das Turbinengehäuse führende Strömungskanal 2 erstreckt sich spiralförmig um die Drehachse 6a des Laufrades und mündet stromabwärts des Laufrades in den konusartig ausgebildeten Turbinenaustrittsbereich 5b, aus dem das Abgas axial in Richtung der Drehachse 6a austritt (durch Doppel-Pfeil kenntlich gemacht).
Zur Umgehung der Turbine bzw. des Laufrades ist eine Bypassleitung 8 vorgesehen, die stromaufwärts des Laufrades vom Abgas führenden Strömungskanal 2 abzweigt und stromabwärts des Laufrades in den Austrittsbereich 5b der Turbine mündet.
Die abgasbeaufschlagte Fläche A_exhaust des Abgas führenden Strömungskanals 2 und die kühlmittelbeaufschlagte Fläche A_coolant des Kühlmittelkanals 3a bilden vorliegend ein Flächenverhältnis A_coolant/A_exhaust ≈ 0,43.
2 zeigt die Radialturbine 1 einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einem Schnitt senkrecht zur Welle 6a des Turbinenlaufrades 6. Die Welle 6a bildet die Drehachse 6a für das Laufrad 6 der Turbine 1 und steht senkrecht auf der Zeichenebene.
Die Radialturbine 1 umfasst ein Turbinengehäuse 1a, in dem ein auf einer Welle 6a drehbar gelagertes Laufrad 6 angeordnet ist. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist das Gehäuse 1a zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiralgehäuse ausgebildet. Ausgehend von einem in einem Flansch 7 ausgebildeten Eintrittsbereich 5a durchströmt das heiße Abgas einen Strömungskanal 2, der sich spiralförmig um das Laufrad 6 erstreckt. Das Ende des Strömungskanals 2 bildet eine Gehäusezunge 1b, die vorliegend integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 1a ist und bis zum äußeren Umfang des Laufrades 6 reicht.
Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 3 im Bereich der thermisch hoch belasteten Gehäusezunge 1b weist das Turbinengehäuse 1a einen zusätzlichen Kühlmittelkanal 4 auf, der durch die Gehäusezunge 1b hindurchführt. Dieser Kühlmittelkanal 4 verläuft geradlinig und erstreckt sich parallel zur Drehachse 6a des Laufrades 6. Der Kanal 4 ist vorliegend durch Bohren in das Gehäuse 1a bzw. in die Gehäusezunge 1b eingebracht worden.
Bezugszeichenliste

1: Turbine
1a: Turbinengehäuse, Gehäuse
1b: Gehäusezunge
2: Strömungskanal, Flut
3: Flüssigkeitskühlung
3a: Kühlmittelkanal
4: zusätzlicher Kühlmittelkanal
5a: Turbineneintrittsbereich
5b: Turbinenaustrittsbereich
6: Laufrad der Turbine
6a: Welle der Turbine, Welle des Laufrads
7: Verbindungsflansch
8: Bypassleitung
A_exhaust: abgasbeaufschlagte Fläche des Strömungskanals der Turbine
A_coolant: kühlmittelbeaufschlagte Fläche des Kühlmittelkanals der Turbine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008011257 A1 [0012]
EP 1384857 A2 [0013]
DE 102007017973 A1 [0014]
WO 2010/039590 A2 [0015]
DE 102011002554 A1 [0020, 0021]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine (1), bei der – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder aufweist, – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, – 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 (6a) gelagertes Laufrad (6) umfasst, und – zur Ausbildung einer Kühlung (3) des Turbinengehäuses (1a) mindestens ein Kühlmittelkanal (3a) vorgesehen ist, der durch mindestens eine Wandung begrenzt und ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine abgasbeaufschlagte Fläche A_exhaust des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals (2) und eine kühlmittelbeaufschlagte Fläche A_coolant des mindestens einen Kühlmittelkanals (3a) ein Flächenverhältnis A_coolant/A_exhaust bilden, wobei gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 1,2.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 1,0.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,8.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,65.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: A_coolant/A_exhaust ≤ 0,55.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Kühlmittelkanal (4) durch eine Gehäusezunge (1b), welche das Turbinengehäuse (1a) am Ende des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals (2) ausbildet, hindurchführt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zusätzliche Kühlmittelkanal (4) im Wesentlichen parallel zur Welle (6a) der Turbine (1) verläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Bypassleitung (8) vorgesehen ist, die stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (6) von mindestens einem Abgas führenden Strömungskanal (2) abzweigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypassleitung (8) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (6) in das Abgasabführsystem mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypassleitung (8) in einen Austrittsbereich (5b) der Turbine (1) mündet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypassleitung (8) zumindest bereichsweise unter Verwendung der Kühlung (3) gekühlt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (6a) der Turbine (1) in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse mindestens einen Kühlmittelkanal aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlmittelkanal des Lagergehäuses mit der Kühlung (3) des Turbinengehäuses (1a) fluidisch zumindest verbindbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Versorgungsleitung zum Zuführen von Kühlmittel vorgesehen ist, die in den mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses einmündet und von der Kühlung (3) des Turbinengehäuses (1a) abzweigt, und/oder eine zweite Versorgungsleitung zum Abführen von Kühlmittel vorgesehen ist, die von dem mindestens einen Kühlmittelkanal des Lagergehäuses abzweigt und in die Kühlung (3) des Turbinengehäuses (1a) mündet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Turbine (1) über einen Turbineneintrittsbereich (5a) und/oder einen Turbinenaustrittsbereich (5b) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass im Turbineneintrittsbereich (5a) und/oder im Turbinenaustrittsbereich (5b) abgasseitig und zumindest bereichsweise eine Wärmeisolierung vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgasbeaufschlagte Fläche A_exhaust des mindestens einen Abgas führenden Strömungskanals (2) zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination umfassend das Turbinengehäuse (1a) und das Lagergehäuse modular aufgebaut ist, in der Art, dass das Lagergehäuse den mindestens einen Abgas führenden Strömungskanal (2) mit ausbildet und mitbegrenzt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (1a) mitsamt dem mindestens einen Kühlmittelkanal (3a) und dem mindestens einen Strömungskanal (2) ein einstückig gegossenes Bauteil ist.
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.
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.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel mit mindestens einem Kühlmittelkanal (3a) des Turbinengehäuses (1a) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlmittelkanal (3a) im Turbinengehäuse (1a) zumindest abschnittsweise schlaufenförmig um die Welle (6a) verläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kühlmittelkanal (3a) zumindest abschnittsweise seitlich von mindestens einem Abgas führenden Strömungskanal (2) und in Richtung der Welle (6a) beabstandet zu diesem Strömungskanal (2) verläuft.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Kühlmittelkanal (3a) zumindest abschnittsweise umfänglich um und beabstandet zu mindestens einem Strömungskanal (2) erstreckt.