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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit liegend angeordneten Zylinderbänken, die auf abgewandten Seiten eines eine Kurbelwelle aufnehmenden Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors angeordnet sind sowie mit mindestens einem Abgasturbolader mit Abgasturboladerwelle.
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Als hochwirksame Maßnahme zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen hat sich die Hubraumreduzierung in Verbindung mit der Aufladung des Verbrennungsmotors, das sogenannte Downsizing herausgestellt. Insbesondere im Zusammenwirken mit der Benzindirekteinspritzung können hierbei erheblich Einsparpotenziale generiert werden. Erreicht wird dies durch verminderte innere Reibung, Verschiebung des Betriebspunktes in höhere Lastbereiche (Entdrosselung) und nicht zuletzt durch Reduzierung des Aggregatgewichts durch kleinere Hubräume und/oder reduzierte Zylinderzahl.
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Bei Boxermotoren werden in der Regel die Abgasmassenströme je einer Zylinderbank zusammengefasst und je einer Turbine zugeführt. Folglich sind abgasturboaufgeladene Boxermotoren in der Regel Biturbo-Konzepte. Hierbei ist ein Abgasturbolader, der einen Zylinderbank zugeordnet, auf einer Seite des Boxermotors angeordnet und der andere Abgasturbolader, der anderen Zylinderbank zugeordnet, auf der anderen Seite des Boxermotors angeordnet. Die Abgasturbolader sind somit seitlich des Kurbelgehäuses positioniert. Die Achsen der Abgasturboladerwellen der Abgasturbolader sind hierbei parallel zur Achse der Kurbelwelle angeordnet.
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Konzepte mit nur einem Abgasturbolader können thermodynamisch von Vorteil sein, insbesondere dann, wenn der Mono-Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt ist. Unter Beibehaltung der konventionellen Anordnung bedeutet dies im Prinzip das Weglassen eines Abgasturboladers. Dies hat zur Folge, dass die Abgase einer Zylinderbank auf die gegenüberliegende Seite geführt werden müssen. Dieses Prinzip findet nach dem Stand der Technik Anwendung, ist jedoch aufgrund der Asymmetrie und der folglich sehr stark unterschiedlichen Lauflängen zwischen linker und rechter Zylinderbank mit nicht unerheblichen thermodynamischen Nachteilen verknüpft, die zu reduziertem Abgasturbolader-Wirkungsgrad und damit zu reduziertem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine führen. Bei diesen Nachteilen handelt es sich insbesondere um Verlust von Stoßaufladung durch große Leitungslänge, Verlust von Abgasenthalpie durch Wärmeübergänge in den langen Leitungen und ungleiche Luftaufwände der unterschiedlichen Zylinder, ferner der Nachteil des erhöhten Wärmeeintrags in den Motorraum durch große Lauflängen.
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Aus der
GB 369 033 A ist ein Boxermotor bekannt, bei dem oberhalb des Motors eine Abgasturbine und unterhalb des Boxermotors ein Verdichter angeordnet ist.
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In der
DE 11 2006 001 468 T5 ist ein Verbrennungsmotor der V-Bauart beschrieben, bei dem ein Abgasturbolader oberhalb des Motors angeordnet ist. Die Achse der Abgasturboladerwelle ist parallel zur Achse der Kurbelwelle angeordnet.
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Darüber hinaus sind aus der
US 2 858 666 A und der
JP 2000 -
328 951 A V-Motoren bekannt, bei denen oberhalb des Motors ein Abgasturbolader angeordnet ist, bei dem die Achse der Abgasturboladerwelle senkrecht und senkrecht zur Achse der Kurbelwelle bzw. parallel zur Achse der Kurbelwelle angeordnet ist.
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Ein Verbrennungsmotor, der die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, ist aus der
JP 2010 -
127 073 A bekannt. Dort ist ein V-Motor mit zwischen den beiden Zylinderreihen des Motors oberhalb des Kurbelgehäuses angeordnetem Abgasturbolader beschrieben.
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Die
DE 726 240 A offenbart einen Boxermotor mit zwei gegenüberliegenden Zylinderbänken, wobei Einlasskanäle des Boxermotors unten und Auslasskanäle des Boxermotors oben angeordnet sind.
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In der
DE 44 16 936 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei symmetrisch angeordneten Abgasturboladern mit zwei Abgasreinigungseinrichtungen beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor, der die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, so weiterzubilden, dass dieser, bei kompakter Ausbildung, besonders gute thermodynamische Eigenschaften aufweist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor, der gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
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Bei dem Verbrennungsmotor ist der mindestens eine Abgasturbolader oberhalb des Kurbelgehäuses angeordnet, wobei die Achse der Abgasturboladerwelle liegend und um einen Winkel zwischen 75° und 105°, vorzugsweise um 90°, zur Kurbelwellenachse orientiert angeordnet ist.
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Der Verbrennungsmotor besitzt liegend angeordnete Zylinderbänke, die auf abgewandten Seiten des die Kurbelwelle aufnehmenden Kurbelgehäuses angeordnet sind. Dieses ermöglicht es, die Abgasleitungen auf kürzest möglichem Weg zusammenzuführen, insbesondere die Anordnung der Abgasanlage der einen Zylinderbank entsprechend der Anordnung der Abgasanlage der anderen Zylinderbank zu gestalten. Da der mindestens eine Abgasturbolader oberhalb des Kurbelgehäuses angeordnet ist, lässt sich ein Verbrennungsmotor verwirklichen, der, ausgehend von der Kurbelwelle in Richtung der Zylinderbänke, relativ kompakt baut.
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Gemäß der Erfindung ist ferner die Rotationsachse von Turbine und Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers, somit die Abgasturboladerwelle, liegend und um einen Winkel zur Kurbelwellenachse des Verbrennungsmotors orientiert angeordnet ist, wobei der Winkel zwischen 75° und 105° oder zwischen 80° und 100°, vorzugsweise um 90° liegt. Diese Anordnung trägt wesentlich zur kompakten Ausbildung des Verbrennungsmotors bei und ermöglicht, auf besonders einfache Art und Weise, das symmetrische Anbinden der Abgasstränge, bei geringer Baulänge des Aggregats.
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Bevorzugt ist nur ein einziger Abgasturbolader vorgesehen. Es können aber durchaus mehrere Abgasturbolader, insbesondere zwei Abgasturbolader, zum Einsatz kommen, die oberhalb des Kurbelgehäuses angeordnet sind. Durch geeignete Ventile schaltbare Systeme, bei denen im unteren Last- und Drehzahlbereich nur ein Abgasturbolader und im oberen Last- und Drehzahlbereich beide Abgasturbolader durchströmt werden, können mit beiden Anordnungen verwirklicht werden. Diese können als Stufenaufladung, Registeraufladung oder geschaltete Parallel-Twin-Aufladungskonzepte ausgeführt sein.
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In aller Regel ist der mindestens eine Abgasturbolader oberhalb des Kurbelgehäuses auf dessen Schwungradseite angeordnet, dort, wo stirnseitig mit dem Kurbelgehäuse ein Getriebe verbunden ist. Damit verbleibt auf der abgewandten Seite des Verbrennungsmotors, somit der Riemenseite des Motors, genug Baumraum, um Nebenaggregate, wie Generator, Hochdruckpumpe, Kältemittelkompressor an dieser Stelle beizubehalten. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass für ein Abgasturbolader-Katalysator-Paket die naturgemäß relativ große Breite der liegenden Zylinder ausgenutzt werden kann, bei gleichzeitiger Beibehaltung der kurzen Baulänge. Daraus ergibt sich ein extrem kompaktes Aggregat, welches für den Längseinbau auch in Fahrzeugen mit kurzem Motorraum, z. B. Kleinwagen, Mittelmotor-Fahrzeugen geeignet ist. Grundsätzlich ist es denkbar, den Abgasturbolader statt auf der Schwungradseite auf der Riemenseite des Aggregates.anzuordnen. Für diese Variante erfordert dies im Wesentlichen eine zusätzliche Wärmeisolation des Riementriebes. Ferner ist es bei der Verlegung des Abgasturboladers auf die Riemenseite des Kurbelgehäuses erforderlich, die Nebenaggregate anders anzuordnen, z. B. auf der Unterseite des Kurbelgehäuses.
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Gemäß der Erfindung ist ferner neben dem mindestens einen Abgasturbolader eine Abgasreinigungseinrichtung, insbesondere ein Abgaskatalysator angeordnet. Der mindestens eine Abgasturbolader ist, bezogen auf eine vertikal durch die Kurbelwellenachse verlaufende Ebene, neben dieser Ebene und die Abgasreinigungseinrichtung neben dieser Ebene, auf der anderen Seite der Ebene als der Abgasturbolader angeordnet. Die Abgasleitungen der jeweiligen Zylinderbank werden in einer Abgasleitung zusammengefasst und diese beiden Abgasleitungen der Zylinderbänke insbesondere im Bereich der durch die Kurbelwellenachse verlaufenden Ebene zusammengefasst. Auf der dieser Ebene zugewandten Seite des Abgasturboladers ist dann die Turbine vorzusehen. Vorzugsweise ist der Turbineneintritt an der Kurbelwellenachse oder zumindest nah an der Kurbelwellenachse positioniert, so dass die Abgasleitungen der Zylinderbänke bzw. die Abgaskrümmer der Zylinderbänke symmetrisch ausgebildet sein können.
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Aufgrund der motornahen Anordnung der Abgasreinigungseinrichtung ist ein schnelles Erreichen deren Betriebstemperatur möglich.
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Vorzugsweise werden die Abgasleitungen auf dem kürzestmöglichen Weg zusammengeführt und in die Turbine des Abgasturboladers eingeleitet. Dies gewährleistet ein gutes Ansprechverhalten des Abgasturboladers. Die Abgasleitungen verlaufen vorzugsweise symmetrisch und sind vorzugsweise mit gleichen Lauflängen ausgeführt. Dies ermöglicht das Ausnutzen der Stoßaufladung aufgrund der kurzen Leitungen, ferner sind gleiche Luftaufwände für alle Zylinder sichergestellt, schließlich ergeben sich geringe Wärmeverluste durch kurze Leitungen, mit der Folge eines schnellen Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtung.
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Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Verbrennungsmotor, bei dem den Zylinderbänken zugeordnete Zylinderköpfe mit Einlasskanälen und Auslasskanälen versehen sind, die Einlasskanäle unten und die Auslasskanäle oben angeordnet sind. Dadurch, dass die Auslasskanäle ebenfalls auf die Motoroberseite verlegt werden, können die Abgasleitungen besonders kurz gehalten werden. Es wird somit die Durchströmungsrichtung der Zylinderköpfe umgedreht. Die Saugseite wird auf die Unterseite des Verbrennungsmotors verlagert. Im Prinzip wird der Zylinderkopfaufbau mit den Kanälen und dem gesamten Steuerbetrieb gespiegelt an einer z-Ebene durch die Kurbelwellenachse. Die entsprechende Umkonstruktion des Wassermantels und eine Anpassung des Kurbelgehäuses ist erforderlich. Thermodynamisch ergeben sich für den Verbrennungsmotor dadurch keine Nachteile.
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Der Verbrennungsmotor dient insbesondere dem Antreiben eines Fahrzeuges, insbesondere eines Landfahrzeuges. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung befinden sich die heißen Bauteile, insbesondere der Abgaskrümmer, der Abgasturbolader und der Katalysator nicht mehr an der Motorunterseite, an der sie durch den Fahrtwind, der auf das Fahrzeug einwirkt, eine effiziente Konvektionskühlung erfahren. Vielmehr ergibt sich die Situation, dass die in den Motorraum hauptsächlich durch Strahlung eingebrachte Wärme durch diese Bauteile sich aufstauen wird. Es ist deshalb nicht auszuschließen, dass vorhandene Spülgebläse und die Fahrtwinddurchströmung des Motorraumes nicht ausreichend sind, um diese Wärmemenge abzutransportieren. Es besteht somit die Gefahr der Überschreitung der Grenztemperatur für diverse Kunststoffbauteile im Motorraum, beispielsweise elektrische Leitungen, Steuergeräte.
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Aus diesem Grund ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Isolation der heißen Bauteile vorgesehen. Demzufolge sind Abgaskrümmer, Abgasturbolader und Abgasreinigungseinrichtung an dessen Austrittsrohr nach außen hin wärmegedämmt. Die Wärmedämmung ist insbesondere als Integraldämmung ausgebildet, mit zu den heißen Bauteilen hin abgedichtetem Luftspalt und mit einem Spülgebläse zum Durchleiten von Luft durch den Luftspalt. Diese Integraldämmung ist annähernd luftdicht ausgeführt und es wird der Luftspalt aktiv mittels des Spülgebläses belüftet, zum Erreichen einer Konvektionskühlung. Die Zuluft wird dabei vorzugsweise an geeigneter Stelle der Fahrzeugaußenseite abgegriffen, idealerweise im Bereich einer aerodynamischen Überdruckzone. Die Kühl- bzw. die Spülluft durchströmt den Luftspalt und kühlt dabei die heißen Teile. Sie verlässt den Luftspalt im Bereich des Unterbodens idealerweise im Bereich einer Unterdruckzone. Aufgrund des damit erreichten positiven Druckgefälles im Fahrbetrieb wird die aktive Kühlung durch die Fahrzeugaerodynamik unterstützt.
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Der Verbrennungsmotor ist insbesondere als Boxermotor oder als 180° V-Motor ausgebildet. Der Verbrennungsmotor weist in aller Regel zwei Zylinderbänke auf.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
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Es zeigt in schematischer Darstellung:
- 1 eine Stirnansicht des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
- 2 eine Draufsicht des in 1 dargestellten Verbrennungsmotors,
- 3 eine grundsätzliche Darstellung einer Integraldämmung.
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Der Verbrennungsmotor, der als Boxermotor 1 ausgebildet ist, weist zwei liegend angeordnete Zylinderbänke 2 und 3 mit jeweils drei Zylindern auf. Die Zylinderbänke 2 und 3 sind auf abgewandten Seiten eines eine Kurbelwelle aufnehmenden Kurbelgehäuses 4 angeordnet. Die Kurbelwellenachse ist strichpunktiert dargestellt und mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet. Mit dem Kurbelgehäuse 4 ist stirnseitig ein Getriebe verbunden, konkret ist eine Getriebeglocke 6 mit dem einen stirnseitigen Ende des Kurbelgehäuses 4 verbunden. Diese Seite des Boxermotors 1 stellt somit dessen Schwungradseite dar. Am anderen Ende des Kurbelgehäuses 4 befindet sich die Riemenseite des Boxermotors 1, veranschaulicht durch eine Riemenscheibe 7, die mit dem dieser zugewandten Ende der Kurbelwelle 8 drehfest verbunden ist. Im unteren Bereich des Kurbelgehäuses 4 ist mit diesem eine Ölwanne 9 verbunden.
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Oberhalb des Kurbelgehäuses 4 ist benachbart der Getriebeglocke 6 ein Abgasturbolader 10 und neben diesem eine Abgasreinigungseinrichtung, die als Abgaskatalysator 11 ausgebildet ist, angeordnet.
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Die Abgasturboladerwelle 12, somit die Rotationsachse der Laufräder von Turbine 13 und Verdichter 14 des Abgasturboladers 10 ist liegend angeordnet, somit im Wesentlichen horizontal angeordnet, erstreckt sich aber unter einem Winkel von 90° zur Kurbelwellenachse 5. Der Abgasturbolader 10 ist, bezogen auf eine, vertikal durch die Kurbelwellenachse 5 verlaufende Ebene, neben dieser Ebene auf der Seite der Zylinderbank 2 angeordnet und der Abgaskatalysator 11 neben dieser Ebene auf der Seite, die der anderen Zylinderbank 3 zugeordnet ist. Die Turbine 13 ist benachbart dieser Ebene angeordnet, der Verdichter 14 in größerem Abstand zu dieser Ebene. Vorzugsweise ist der Eintritt der Turbine 13 an der Kurbelwellenachse 5 oder möglicht nah an der Kurbelwellenachse 5 positioniert, so dass die Sammelleitungen 16 der Zylinderbänke 2 und 3 symmetrisch ausgebildet sein können; d.h., es liegen nahezu identische Abstände vom Turbineneintritt zur jeweiligen Sammelleitung vor.
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Von den drei Zylindern der jeweiligen Zylinderbank 2 bzw. 3 ausgehend sind deren drei Abgasleitungen 15 zusammengeführt, und zwar bis zu deren gemeinsamen Sammelleitung 16 symmetrisch angeordnet, womit die beiden äußeren Abgasleitungen 15 dieselbe Leitungslänge besitzen und auch die mittlere Abgasleitung 15 vorzugsweise eine entsprechende Länge aufweist. Die identischen beiden Sammelleitungen 16 der beiden Zylinderbänke 2 und 3 sind im Bereich der Ebene, die vertikal durch die Kurbelwellenachse 5 verläuft, zusammengeführt, in eine Sammelleitung 17, die auf kurzer Strecke mit der Turbine 13 des Abgasturboladers 10 verbunden ist. Das Abgas verlässt die Turbine 13 durch die Leitung 18 und gelangt auf kurzem Weg zum Abgaskatalysator 11 und von dort in die Abführleitung 19.
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Wie aufgrund der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 veranschaulicht, befinden sich die heißen Bauteile Abgaskrümmer, Abgasturbolader und Katalysator nicht mehr an der Motorunterseite, an der sie durch den Fahrtwind, bei Einbau des Verbrennungsmotors in ein Fahrzeug, eine effiziente Konvektionskühlung erfahren. Demzufolge ist eine Isolation der heißen Bauteile vorzusehen, wie es in 3 grundsätzlich für eine an sich bekannte Integraldämmung veranschaulicht ist: Gezeigt ist für eine kurze Länge der Isolation ein über diese kurze Länge dargestelltes heißes Bauteil 20, das von einer Dämmung 21 umgeben ist, wobei zwischen dieser Dämmung 21 und dem heißen Bauteil 20 ein Luftspalt 22 gebildet ist. Diese Dämmung 21 ist gleichfalls nur über die genannte kurze Länge veranschaulicht. Die Dämmung 21 weist auf der dem Luftspalt 22 zugewandten Seite einen Strahlungsschirm 23 auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Blechteil handelt. Auf der dem Luftspalt 22 abgewandten Seite ist der Strahlungsschirm 23 mit einer mineralischen Faserisolation 24 und diese auf der den Luftspalt 22 abgewandten Seite mit einem Strahlungsschirm 25 bzw. Mantel zum Schutz der Fasern der Faserisolation 24 versehen. Die beschriebene Integraldämmung ist annähernd Luftdicht ausgeführt und wird von einem nicht veranschaulichten Spülgebläse aktiv belüftet, zum Erreichen einer Konvektionskühlung. Die Zuluft wird dabei an geeigneter Stelle der Fahrzeugaußenseite abgegriffen, idealerweise im Bereich einer aerodynamischen Überdruckzone. Die Kühl- bzw. Spülluft durchströmt den Luftspalt 22 und kühlt dabei das heiße Bauteil 20. Die Luft verlässt den Luftspalt 22 im Bereich des Unterbodens, idealerweise im Bereich einer Unterdruckzone. Aufgrund des damit erreichten positiven Druckgefälles im Fahrbetrieb wird die aktive Kühlung durch die Fahrzeugaerodynamik unterstützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Boxermotor
- 2
- Zylinderbank
- 3
- Zylinderbank
- 4
- Kurbelgehäuse
- 5
- Kurbelwellenachse
- 6
- Getriebeglocke
- 7
- Riemenscheibe
- 8
- Kurbelwelle
- 9
- Ölwanne
- 10
- Abgasturbolader
- 11
- Abgasreinigungseinrichtung/Abgaskatalysator
- 12
- Abgasturboladerwelle
- 13
- Turbine
- 14
- Verdichter
- 15
- Abgasleitung
- 16
- Sammelleitung
- 17
- Sammelleitung
- 18
- Leitung
- 19
- Abführleitung
- 20
- heißes Bauteil
- 21
- Dämmung
- 22
- Luftspalt
- 23
- Strahlungsschirm
- 24
- Faserisolation
- 25
- Strahlungsschirm
