DE102011002759A1

DE102011002759A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung

Info

Publication number: DE102011002759A1
Application number: DE102011002759A
Authority: DE
Inventors: Rainer Friedfeldt; Bernd Steiner; Kai Sebastian Kuhlbach
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120180476A1; CN102588084A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit – mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) mit mindestens zwei Zylindern (2), bei dem jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslaßöffnung (3a, 3b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (2) aufweist, wobei sich stromabwärts an jede Auslaßöffnung (3a, 3b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt, und – mindestens einer ein Turbinengehäuse (8a) aufweisenden flüssigkeitsgekühlten Turbine (8), wobei – die Abgasleitungen (4a, 4b) von mindestens zwei Zylindern (2) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (5) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, – die Turbine (8) in dieser Gesamtabgasleitung (6) angeordnet ist, und – eine Bypaßleitung (9) zur Entnahme von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (8) abzweigt und mit der das entnommene Abgas an der Turbine (8) vorbeiführbar ist. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der konstruktiven Auslegung der flüssigkeitsgekühlten Turbine optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – die Bypaßleitung (9) außerhalb des Turbinengehäuses (8a) an der Turbine (8) vorbeiführt und damit eine separate Abgasleitung darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei dem jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist, wobei sich stromabwärts an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
– mindestens einer ein Turbinengehäuse aufweisenden flüssigkeitsgekühlten Turbine, wobei
– die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
– die Turbine in dieser Gesamtabgasleitung angeordnet ist, und
– eine Bypaßleitung zur Entnahme von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine abzweigt und mit der das entnommene Abgas an der Turbine vorbeiführbar ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
Zur Ausbildung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine wird der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden. 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 häufig auch zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser 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 Ein- und Auslaßöffnungen freigeben und verschließen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer Gesamtabgasleitung oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im allgemein und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bzw. Krümmer bezeichnet.
Stromabwärts des mindestens einen Abgaskrümmers werden die Abgase bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mindestens einer Turbine eines Abgasturboladers und gegebenenfalls einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.
Dabei ist man zum einen bemüht, die Turbine möglichst nahe an den Auslaßöffnungen 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 des Turboladers zu gewährleisten. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung bleibt und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
In diesem Zusammenhang ist man bestrebt, 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.
Um die zuvor genannten Ziele zu erreichen, wird der mindestens eine Abgaskrümmer vollständig im Zylinderkopf integriert, wodurch die Gesamtwegstrecke und das Volumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine minimiert werden Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich auch durch eine sehr kompakte Bauweise aus, die ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit ermöglicht. Die Verwendung eines derartigen Zylinderkopfes führt des Weiteren zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
Eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem solchen Zylinderkopf ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Ein Zylinderkopf mit integriertem Krümmer ist thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, und stellt daher erhöhte Anforderungen an die Kühlung. Um die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf wieder entzogen werden. In der Regel wird mittels erzwungener Konvektion gezielt eine Kühlung des Zylinderkopfes herbeigeführt.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Weil mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können, wird ein Zylinderkopf der vorliegenden Art in der Regel mit einer Flüssigkeitskühlung ausgeführt.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit 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.
Bei einer Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art erweist sich eine Flüssigkeitskühlung zudem als besonders vorteilhaft, da die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist, welche thermisch besonders beansprucht ist.
Für die Aufladung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Nach dem Stand der Technik wird ein spürbarer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes sind Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Letzterem kann durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung begegnet werden. 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 via Bypaßleitung an der Turbine vorbei geführt. Die Bypaßleitung zweigt die stromaufwärts der Turbine aus einer Abgas führenden Leitung, beispielsweise der Gesamtabgasleitung, ab und wird stromabwärts der Turbine in der Regel wieder mit dem durch die Turbine hindurchgeführten Abgasstrom zusammengeführt.
In der Bypaßleitung ist ein Steuerorgan zur Einstellung des entnommenen Abgasstroms, d. h. zum Öffnen und Verschließen der Leitung, anzuordnen. Nach dem Stand der Technik wird die Bypaßleitung häufig zumindest teilweise in der Turbine, d. h. im Turbinengehäuse integriert, wobei auch das Steuerorgan häufig im bzw. am Turbinengehäuse angeordnet wird. Die europäische Patentanmeldung EP 2 143 922 A1 beschreibt eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der das Gehäuse der Turbine die Bypaßleitung und/oder das Steuerorgan mit umschließt.
Der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff ist vergleichsweise kostenintensiv, insbesondere im Vergleich zu dem für die Fertigung des Zylinderkopfes vorzugsweise eingesetzten Material, nämlich Aluminium. Folglich führen sämtliche Maßnahmen, welche das Volumen und Gewicht des Turbinengehäuses erhöhen, wie beispielsweise die Integration der Bypaßleitung und/oder des Steuerorgans, zu höheren Herstellungskosten des Turbinengehäuses bzw. der Turbine.
Zudem wird der Fertigungsprozeß des Gehäuses durch die Integration der Bypaßleitung und/oder des Steuerorgans aufwendiger und daher kostenintensiver; ein Nachteil, der noch durch den für das Gehäuse verwendeten Werkstoff an Bedeutung gewinnt, da dieser nur schwer zu bearbeiten ist.
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, 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 zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führen kann, falls die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfolgt, da ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muß. Ein voluminöses Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten, mittels Schrauben befestigten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 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. Das Turbinengehäuse wird zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Die europäische Patentanmeldung EP 1 384 857 A2 beschreibt eine flüssigkeitsgekühlte Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist und die Bypaßleitung mit umfaßt.
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, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu den Kühlungen mittels Flüssigkeit gezählt wird.
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 im Zusammenhang mit der Turbinenkühlung erweisen sich die großen Wärmemengen, die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmen sind und 40 kW oder mehr betragen können, 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.
Bei der konstruktiven Auslegung der flüssigkeitsgekühlten Turbine ergeben sich somit Anforderungen, die einander entgegen stehen, nämlich zum einen die Forderung nach einer möglichst umfangreichen Kühlung zwecks Einsatzes kostengünstiger, leichter, aber auch thermisch weniger belastbarer Werkstoffe und zum anderen die Beschränkung der dem Gehäuse mittels Kühlmittel entzogenen Wärmemenge.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich des oben genannten Zielkonflikts, d. h. hinsichtlich der konstruktiven Auslegung der flüssigkeitsgekühlten Turbine, optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei dem jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist, wobei sich stromabwärts an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
– mindestens einer ein Turbinengehäuse aufweisenden flüssigkeitsgekühlten Turbine, wobei
– die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
– die Turbine in dieser Gesamtabgasleitung angeordnet ist, und
– eine Bypaßleitung zur Entnahme von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine abzweigt und mit der das entnommene Abgas an der Turbine vorbeiführbar ist,

– die Bypaßleitung außerhalb des Turbinengehäuses an der Turbine vorbeifährt und damit eine separate Abgasleitung darstellt.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Bypaßleitung um eine separate Leitung, die außen am Turbinengehäuse vorbeiführt. Die Konstruktion der Turbine vereinfacht sich durch diese Maßnahme erheblich, wobei das Volumen und das Gewicht des Turbinengehäuses deutlich vermindert werden.
Zwei Effekte erweisen sich als besonders vorteilhaft bei der Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe.
Zum einen führt die Verminderung des Gehäusevolumens zu einer Verkleinerung der wärmeübertragenden Fläche zwischen Kühlmittel und Abgasströmung innerhalb des Gehäuses, wodurch die in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge verringert wird.
Zum anderen wird das via Bypaßleitung am Gehäuse vorbeigeführte Abgas nicht mehr von der im Gehäuse vorgesehenen Kühlung gekühlt, so dass der Wärmeeintrag in das Kühlmittel von Seiten des abgeblasenen Abgasstroms vollständig entfällt.
Insbesondere durch den letztgenannten Effekt einer externen Bypaßleitung reduziert sich der Wärmeeintrag in das Kühlmittel deutlich. In diesem Zusammenhang muß berücksichtigt werden, dass die Bypaßleitung insbesondere bei großen Abgasmengen, d. h. bei hoher Last bzw. hoher Drehzahl, vollständig geöffnet ist, wodurch große Abgasmengen an der Turbine vorbeigeführt werden. Dies folgt aus dem grundsätzlichen Prinzip der verwendeten Waste-Gate-Turbine, welche auf kleine bis mittlere Abgasmengen ausgelegt ist und sich bei größeren Abgasmengen der Abgasabblasung bedient.
Dem momentanen Erfordernis entsprechend wird gerade bei hohen Lasten, wenn die Abgastemperaturen hoch sind und der Wärmeeintrag in das Kühlmittel einer Limitierung bedarf, viel Abgas an der Turbine vorbeigeführt und damit nicht gekühlt wird. Der Wärmeeintrag wird entsprechend der Zielsetzung in den Betriebspunkten durch Abgasabblasung gemindert, in denen das Abgas eine besonders hohe Temperatur aufweist.
Der Einsatz einer externen Bypaßleitung bei einer flüssigkeitsgekühlten Turbine führt in vorteilhafter Weise zu Effekten, die über die technischen Wirkungen der einzelnen Merkmale für sich allein genommen hinausgehen, d. h. zu Synergien.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der konstruktiven Auslegung der flüssigkeitsgekühlten Turbine optimiert ist.
Weist der mindestens eine Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich bei einer Brennkraftmaschine, welche mit einem derartigen Zylinderkopf ausgestattet ist, um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Bei drei und mehr Zylindern sind 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. 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.
Ausführungsformen des Zylinderkopfes mit beispielsweise vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei denen die Abgasleitungen der außenliegenden Zylinder und die Abgasleitungen der innenliegenden Zylinder jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden, sind ebenfalls erfindungsgemäße Zylinderköpfe.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes innerhalb des Zylinderkopfes zu einer einzigen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung von der Gesamtabgasleitung abzweigt.
Eine Abzweigung von der Gesamtabgasleitung gewährleistet, dass auch große Mengen an Abgas via Bypaßleitung abgeblasen werden können, was beispielsweise nicht sichergestellt werden könnte, wenn die Bypaßleitung von der Abgasleitung eines einzelnen Zylinders abzweigen würde.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung von dem integrierten Abgaskrümmer abzweigt.
Vorzugsweise zweigt die Bypaßleitung in dem Bereich vom Krümmer ab, in dem die Abgasleitungen in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung münden und das heiße Abgas der Zylinder der Brennkraftmaschine gesammelt wird.
Zum einen passiert das gesamte Abgas der dazugehörigen Zylinder diese Sammelstelle, wohingegen eine einzelne Abgasleitung, die sich an die Auslaßöffnung eines Zylinders anschließt, lediglich mit dem Abgas bzw. einem Teil des Abgases eines Zylinders beaufschlagt wird. Zum anderen ist der Mündungsbereich der Abgasleitungen in die Gesamtabgasleitung kontinuierlich mit Abgas beaufschlagt, wohingegen die Abgasleitungen eines Zylinders – beispielsweise bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine – nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders, d. h. einmal innerhalb von zwei Kurbelwellenumdrehungen von heißem Abgas durchströmt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen

– jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen aufweist, und
– die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen je Zylinder zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.

Während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ist es ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslaßöffnung je Zylinder vorteilhaft ist.
Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen via Teilabgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zu einer kompakteren, d. h. weniger voluminösen Bauweise des Zylinderkopfes und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei. Zudem wird die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen des Abgaskrümmers weiter verkürzt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung stromabwärts der Turbine in die Gesamtabgasleitung mündet.
Es verkürzt die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen, wenn der abgeblasene Abgasstrom und der durch die Turbine hindurchgeführte Abgasstrom wieder zusammengeführt werden und eine gemeinsame Leitung, nämlich die Gesamtabgasleitung, benutzen. Zudem bietet diese Vorgehensweise Vorteile bei der Abgasnachbehandlung.
Ist stromabwärts der Turbine ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen, muß das abgeblasene Abgas diesem System ebenfalls zugeführt werden, wenn auf ein zusätzliches Abgasnachbehandlungssystem gleicher Bauart in der Bypaßleitung verzichtet werden soll, was aus Kostengründen und im Hinblick auf ein dichtes Packaging zu bevorzugen ist.
Dabei können der durch die Turbine hindurchgeführte Abgasstrom und der abgeblasene Abgasstrom entweder stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems zusammengeführt werden oder aber die beiden Abgasströme werden dem Abgasnachbehandlungssystem getrennt zugeführt. Durch das Abgasnachbehandlungssystem werden die Schadstoffemissionen reduziert.
Aus den genannten Gründen sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen stromabwärts der Bypaßleitung und stromabwärts der Turbine ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Bypaßleitung auf der der Montage-Stirnseite zugewandten Seite abzweigt, d. h. auf der dem Zylinderblock zugewandten Seite des Krümmers.
Bei dieser Art Brennkraftmaschine, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Laufrad der mindestens einen Turbine oberhalb, auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der Montage-Stirnseite angeordnet ist.
Das Laufrad der mindestens einen Turbine ist oberhalb der Montage-Stirnseite, vorzugsweise oberhalb des integrierten Abgaskrümmers, d. h. auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gilt das Laufrad bereits als oberhalb der Montage-Stirnseite bzw. des Krümmers gelegen, wenn die Drehachse des Laufrades, d. h. die Turbinenwelle, auf der das Laufrad drehbar gelagert ist, oberhalb der Montage-Stirnseite bzw. des Krümmers, d. h. auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite des Krümmers liegt. Zur Verwirklichung des in Rede stehenden Merkmals ist es nicht erforderlich, dass das gesamte Laufrad oberhalb der Montage-Stirnseite bzw. des Krümmers angeordnet wird.
Diese Anordnung der Turbine ermöglicht das motornahe Plazieren auch großvolumiger Abgasnachbehandlungssysteme seitlich des Zylinderblocks und stromabwärts der Turbine bei gleichzeitiger Realisierung eines dichten Packaging.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung mit einem Steuerorgan zur Einstellung des abgeblasenen Abgasstroms ausgestattet ist. Das Steuerorgan kann beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil umfassen und elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch gesteuert werden, insbesondere auch mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
Das Steuerorgan kann unmittelbar an der Abzweigung der Bypaßleitung, d. h. in der Nähe der Abgriffstelle, angeordnet sein. Dies ermöglicht gegebenenfalls die Kühlung des Steuerorgans mittels einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung, was vorteilhaft ist, da das Steuerorgan durch die heißen Abgase thermisch hoch belastet ist. Gegebenenfalls kann ein Ventil bzw. eine Klappe des Steuerorgans aufgrund der Kühlung aus weniger temperaturfestem und damit kostengünstigerem Werkstoff gefertigt werden. Grundsätzlich kann das Steuerorgan aber auch beabstandet zur Abgriffstelle, beispielsweise am Ende der Bypaßleitung, vorgesehen werden.
Auch aus den zuvor genannten Gründen sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen

– der Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen dem integrierten Abgaskrümmer und einer Montage-Stirnseite des mindestens einen Zylinderkopfes, an der dieser Zylinderkopf mit einem Zylinderblock verbindbar ist, angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite des Abgaskrümmers angeordnet ist, aufweist.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen

– beabstandet zum Abgaskrümmer an der den Zylindern abgewandten Seite des Abgaskrümmers in einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitung austritt, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.

Damit ist im Zylinderkopf mindestens eine Verbindung auf der den mindestens zwei Zylindern des Zylinderkopfes abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers angeordnet. Die mindestens eine Verbindung liegt somit außerhalb des integrierten Abgaskrümmers.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Gesamtabgasleitung kleiner ist als der Durchmesser eines Zylinders, vorzugsweise kleiner ist als die Hälfte bzw. ein Viertel des Durchmessers eines Zylinders, wobei sich der Abstand als Wegstrecke zwischen der Wandung der Gesamtabgasleitung und der Wandung der mindestens einen Verbindung ergibt.
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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Gehäuse der mindestens einen Turbine und der mindestens eine Zylinderkopf separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Eine modular Aufbau, bei dem die Turbine und der Zylinderkopf miteinander verbunden werden müssen, hat den Vorteil, dass die einzelnen Bauteile – nämlich die Turbine bzw. der Zylinderkopf – nach dem Baukastenprinzip auch mit anderen Bauteilen, insbesondere anderen Zylinderköpfen bzw. Turbinen, kombiniert werden können. Die vielfältige Einsetzbarkeit eines Bauteils erhöht in der Regel die Stückzahl, wodurch die Herstellungskosten pro Stück gesenkt werden können. Zudem werden hierdurch die Kosten gesenkt, falls die Turbine bzw. der Zylinderkopf infolge eines Defekts auszutauschen, d. h. zu ersetzen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zumindest ein Teil des Turbinengehäuses der mindestens einen Turbine und der mindestens eine Zylinderkopf einstückig ausgebildet sind und ein monolithisches Bauteil bilden. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen das monolithische Bauteil ein Gußteil ist.
Eine monolithische Ausbildung gestattet eine besonders motornahe Anordnung der Turbine und eine überaus kompakte Bauweise, weil ein Zugriff für Montagewerkzeuge nicht mehr berücksichtigt werden muß. Das Gehäuse ist vergleichsweise kleinvolumig und das Laufrad der Turbine kann nahe einem vergleichsweise kleinvolumigen Eintrittsbereich angeordnet werden.
Die zumindest teilweise Integration des Turbinengehäuses in den Zylinderkopf erleichtert auch das Verbinden des im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantels mit dem Kühlmittelmantel der Turbine.
Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren und daher kostenintensiven Verbindung zwischen Zylinderkopf und Turbine entfällt prinzipbedingt durch die einteilige Ausbildung. Infolgedessen besteht auch nicht mehr die Gefahr, dass Abgas ungewollt infolge einer Leckage in die Umgebung austritt. In Bezug auf die Kühlmittelkreisläufe bzw. die Verbindung der Kühlmittelmäntel und der Leckage von Kühlmittel gilt Ähnliches in analoger Weise.
Ist die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Welle des Abgasturboladers mitsamt dem vormontierten Turbinen- und Verdichterlaufrad als eigenständige vorgefertigte Baugruppe, beispielsweise in Form einer Kassette, in das im Zylinderkopf integrierte Turbinengehäuse bzw. Turboladergehäuse im Rahmen der Montage eingeschoben wird. Dies verkürzt die Montagezeit erheblich.
Dabei nimmt das Gehäuse nicht nur Turbinenkomponenten, sondern auch Teile des Verdichters auf, was grundsätzlich, d. h. bei sämtlichen erfindungsgemäßen Kombinationen der Fall sein kann, soweit ein Abgasturbolader eingesetzt wird, d. h. die Turbine Teil eines Abgasturboladers ist. Insoweit dient das Gehäuse auch als Verdichtergehäuse.
Durch die Integration des Turbinengehäuses wird der im Motorraum eines Fahrzeugs benötigte Bauraum für die Brennkraftmaschine reduziert. Die Integration weiterer Komponenten ist vorteilhaft. Es ist möglich, Frischluftleitungen zum und vom Verdichter anzubinden, beispielsweise die Leitung vom Verdichteraustritt zur Einlaßseite des Zylinderkopfes hin. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine Frischluftleitung in einen Zylinderkopfdeckel zu integrieren und die Wegstrecke bis zum Verdichtergehäuse mittels eines Kanals zu überbrücken, wobei beispielsweise dieser Kanal auch Teil des Zylinderkopfes sein kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das monolithische Bauteil ein Aluminium-Gußteil ist.
Durch Verwendung von Aluminium wird im Vergleich zur Verwendung von Stahl eine besonders hohe Gewichtsersparnis erzielt. Die Kosten für die Bearbeitung des Aluminiumgehäuses sind ebenfalls geringer.
Nichtsdestotrotz kann das monolithische Bauteil auch aus Grauguß oder anderen Gußmaterialien hergestellt werden. Denn unabhängig vom verwendeten Material bleiben die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform erhalten, insbesondere die kompakte Bauweise, die grundsätzliche Gewichtsersparnis durch den Wegfall der nicht notwendigen Verbindungselemente, das verbesserte Ansprechverhalten der Turbine infolge der überaus motornahen Anordnung und dergleichen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung ein aus hitzebeständigem Stahl gefertigtes Rohrstück umfaßt.
Das in der Bypaßleitung befindliche Abgas hat eine hohe Temperatur und wird außerhalb des Zylinderkopfes nicht gekühlt, weshalb es vorteilhaft ist, ein temperaturbeständigeres Material zu verwenden.
Die Bypaßleitung wird vorzugsweise am Zylinderkopf verschraubt, wohingegen an einer Einmündung in die Gesamtabgasleitung anstelle einer Schraubenverbindung auch eine Schweißverbindung vorgesehen werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung ein Gehäuse für das Steuerorgan umfaßt, das vorzugsweise aus Grauguß oder Stahlguß gefertigt ist. Die Herstellung im Gießverfahren gestattet die einstückige Fertigung der komplexen Gehäusestruktur.
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.
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.
Grundsätzlich können zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch mehrere Turbolader eingesetzt werden, deren Turbinen bzw. Verdichter in Reihe bzw. parallel angeordnet sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß den 1 bis 3 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den Zylinderkopf und die Turbine eines Abgasturboladers einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung,
2 die in 1 dargestellte Anordnung von Zylinderkopf und Turbine in einer Draufsicht auf die Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes, und
3 in einer perspektivischen Darstellung die in 1 dargestellte Anordnung von Zylinderkopf und Turbine senkrecht zur Montage-Stirnseite geschnitten.
1 zeigt schematisch den Zylinderkopf 1 und die Turbine 8 eines Abgasturboladers einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung.
Die Turbine 8 ist flüssigkeitsgekühlt und in der Gesamtabgasleitung 6, mit der die mittels Abgaskrümmer 5 gesammelten Abgase aus dem Zylinderkopf 1 abgeführt werden, angeordnet. Das Turbinengehäuse 8a ist zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung mit Kühlmittelkanälen ausgestattet, wobei das Kühlmittel über eine Kühlmitteleintrittsöffnung 12a zugeführt und über eine Kühlmittelaustrittsöffnung 12b abgeführt wird.
Zur Abblasung von Abgas, d. h. zur Überbrückung der Turbine 8, ist eine Bypaßleitung 9 vorgesehen, die stromaufwärts der Turbine 8 abzweigt und mit der Abgas an der Turbine 8 vorbeiführt werden kann. Die Bypaßleitung 9 führt dabei als separate Abgasleitung außerhalb des Turbinengehäuses 8a an der Turbine 8 vorbei und mündet stromabwärts der Turbine 8 wieder in die Gesamtabgasleitung 6, in der stromabwärts der Einmündung der Bypaßleitung 9 ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist (nicht dargestellt).
Zur Einstellung des abgeblasenen Abgasstroms ist ein Steuerorgan 10 vorgesehen, welches bei der in 1 dargestellten Ausführungsform an dem Ende der Bypaßleitung 9 angeordnet ist, an welchem die Bypaßleitung 9 in die Gesamtabgasleitung 6 eintritt. Als Steuerorgan 10 wird eine verschwenkbare Klappe 10a verwendet, deren Drehachse aus der Bypaßleitung 9 herausragt und mit der die Bypaßleitung 9 verschlossen bzw. freigegeben wird.
2 zeigt die in 1 dargestellte Anordnung von Zylinderkopf 1 und Turbine 8 in einer Draufsicht auf die Montage-Stirnseite 1a des Zylinderkopfes 1. Der Zylinderkopf 1 ist an der Montage-Stirnseite 1a mit einem Zylinderblock (nicht dargestellt) verbindbar. Es soll nur ergänzend zu der zuvor beschriebenen 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Wie 2 zu entnehmen ist, verfügt der dargestellte Zylinderkopf 1 über vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 1 in Reihe angeordnete Zylinder 2. Es handelt sich vorliegend um den Zylinderkopf 1 eines Vier-Zylinder-Reihenmotors.
Jeder Zylinder 2 weist zwei Auslaßöffnungen 3a, 3b zum Abführen der Abgase auf, wobei sich stromabwärts an jede Auslaßöffnung 3a, 3b eine Abgasleitung 4a, 4b anschließt. Die Abgasleitungen 4a, 4b der vier Zylinder 2 führen unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers 5 innerhalb des Zylinderkopfes 1 zu der Gesamtabgasleitung 6 zusammen.
Die Bypaßleitung 9 zweigt auf der der Montage-Stirnseite 1a zugewandten Seite ab, d. h. auf der dem Zylinderblock zugewandten Seite des Krümmers 5, und zwar an der Sammelstelle 7 der Abgase im Kopf 1, an der die einzelnen Abgasleitungen 4a, 4b des Abgaskrümmers 5 zur Gesamtabgasleitung 6 zusammenführen.
3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die in den 1 und 2 dargestellte Anordnung von Zylinderkopf 1 und Turbine 8 – senkrecht zur Montage-Stirnseite 1a geschnitten. Es soll nur ergänzend zu den zuvor beschriebenen 1 und 2 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf diese Figuren. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Zylinderkopf 1 ist mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, wobei zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung Kühlmittelmäntel 11, 11a, 11b vorgesehen sind. Die Flüssigkeitskühlung umfaßt unter anderem einen unteren Kühlmittelmantel 11b, der zwischen dem integrierten Abgaskrümmer 5 und der Montage-Stirnseite 1a angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel 11a, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel 11b gegenüberliegenden Seite des Abgaskrümmers 5 angeordnet ist.
In der in 3 dargestellten Ansicht ist zu erkennen, dass das Laufrad der Turbine 8 oberhalb der Montage-Stirnseite 1a angeordnet ist. Die Drehachse 8b des Laufrades, d. h. die Turbinenwelle, auf der das Laufrad drehbar gelagert ist, liegt oberhalb der Montage-Stirnseite 1a.
Das Turbinengehäuse 8a der Turbine 8 und der Zylinderkopf 1 sind einstückig ausgebildet, d. h. das Gehäuse 8a und der Zylinderkopf 1 bilden ein monolithisches Bauteil, welches vorliegend ein Gußteil ist. Die Abgasströmung durch die Turbine 8 bzw. die Bypaßleitung 9 ist mit Pfeilen kenntlich gemacht.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
1a: Montage-Stirnseite
2: Zylinder
3a: Auslaßöffnung
3b: Auslaßöffnung
4a: Abgasleitung
4b: Abgasleitung
5: Abgaskrümmer
6: Gesamtabgasleitung
7: Sammelstelle, Mündungsbereich
8: Turbine
8a: Turbinengehäuse
8b: Turbinenachse, Drehachse des Turbinenlaufrades
9: Bypaßleitung
10: Stellorgan
10a: Klappe
11: Kühlmittelmantel
11a: oberer Kühlmittelmantel
11b: unterer Kühlmittelmantel
12a: Kühlmitteleintrittsöffnung der Turbine
12b: Kühlmittelaustrittsöffnung der Turbine

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

EP 2143922 A1 [0020]
EP 1384857 A2 [0025, 0028]
DE 102008011257 A1 [0027]
DE 102007017973 A1 [0029]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – mindestens einem flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf (1) mit mindestens zwei Zylindern (2), bei dem jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslaßöffnung (3a, 3b) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (2) aufweist, wobei sich stromabwärts an jede Auslaßöffnung (3a, 3b) eine Abgasleitung (4a, 4b) anschließt, und – mindestens einer ein Turbinengehäuse (8a) aufweisenden flüssigkeitsgekühlten Turbine (8), wobei – die Abgasleitungen (4a, 4b) von mindestens zwei Zylindern (2) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (5) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, – die Turbine (8) in dieser Gesamtabgasleitung (6) angeordnet ist, und – eine Bypaßleitung (9) zur Entnahme von Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (8) abzweigt und mit der das entnommene Abgas an der Turbine (8) vorbeiführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Bypaßleitung (9) außerhalb des Turbinengehäuses (8a) an der Turbine (8) vorbeiführt und damit eine separate Abgasleitung darstellt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) von der Gesamtabgasleitung (6) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) von dem integrierten Abgaskrümmer (5) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Zylinder (2) mindestens zwei Auslaßöffnungen (3a, 3b) aufweist, und – die Abgasleitungen (4a, 4b) von mindestens zwei Zylindern (2) unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (5) innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, wobei zunächst die Abgasleitungen (4a, 4b) der mindestens zwei Auslaßöffnungen (3a, 3b) je Zylinder (2) zu einer dem Zylinder (2) zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen, bevor diese Teilabgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) stromabwärts der Turbine (8) in die Gesamtabgasleitung (6) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Bypaßleitung (9) und stromabwärts der Turbine (8) ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf (1) an einer Montage-Stirnseite (1a) mit einem Zylinderblock verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) auf der der Montage-Stirnseite (1a) zugewandten Seite abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf (1) an einer Montage-Stirnseite (1a) mit einem Zylinderblock verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad der mindestens einen Turbine (8) oberhalb, auf der dem Zylinderkopf (1) zugewandten Seite der Montage-Stirnseite (1a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) mit einem Steuerorgan (10) zur Einstellung des abgeblasenen Abgasstroms ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8a) der mindestens einen Turbine (8) und der mindestens eine Zylinderkopf (1) separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Turbinengehäuses (8a) der mindestens einen Turbine (8) und der mindestens eine Zylinderkopf (1) einstückig ausgebildet sind und ein monolithisches Bauteil bilden.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das monolithische Bauteil ein Gußteil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass das monolithische Bauteil ein Aluminium-Gußteil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Bypaßleitung (9) ein aus hitzebeständigem Stahl gefertigtes Rohrstück umfaßt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (9) ein Gehäuse für das Steuerorgan (10) umfaßt, welches vorzugsweise aus Grauguß oder Stahlguß gefertigt ist.