DE102010037969A1

DE102010037969A1 - Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine und Verfahren zum Kühlen der Turbine

Info

Publication number: DE102010037969A1
Application number: DE102010037969A
Authority: DE
Inventors: Carsten Weber; Kai Kuhlbach; Franz J. Brinkmann; Bernd Steiner; Ludwig Stump; Jan Mehring; Jens Gröger; Dr. Krämer Frank
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: RU2011140401A; CN102444463A; CN102444463B; DE102010037969B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine dieser Brennkraftmaschine. Es soll eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine der Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen werden häufig mit einer Turbine oder mehreren Turbinen ausgestattet. Die Gründe hierfür können unterschiedlich sein. In der Regel soll die Abgasenthalpie der heißen Abgase mittels Turbine im Rahmen einer Abgasturboaufladung zur einlaßseitigen Verdichtung der Ladeluft genutzt werden. Eine derartige Brennkraftmaschine offenbart beispielsweise die EP 1 640 596 B1 , bei der eine zweistufige Verdichtung der Ladeluft mittels zweier in Reihe angeordneter Abgasturbolader durchführbar ist oder in Abhängigkeit von der Abgasmenge auch eine einstufige Verdichtung mit einem der beiden, unterschiedlich groß dimensionierten Lader.
Stromabwärts der mindestens einen Turbine werden die Abgase dann gegebenenfalls durch ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme hindurchgeführt.
Die Herstellungskosten für die Turbine sind vergleichsweise hoch, da der für das thermisch hochbelastete Turbinengehäuse verwendete – häufig nickelhaltige – Werkstoff kostenintensiv ist, insbesondere im Vergleich zu dem für den Zylinderkopf vorzugsweise verwendeten Werkstoff; beispielweise Aluminium. Nicht nur die Werkstoffkosten als solche, sondern auch die Kosten für die Bearbeitung dieser für das Turbinengehäuse verwendeten Werkstoffe sind hoch.
Im Hinblick auf die Kosten wäre es daher überaus vorteilhaft, wenn die Turbine 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, welche grundsätzlich angestrebt wird, zu einem relativ groß dimensionierten, voluminösen Gehäuse führt, denn die Verbindung von Turbine und Zylinderkopf mittels Flansch und Schrauben erfordert aufgrund der beengten Platzverhältnisse einen großen Turbineneintrittsbereich, auch weil ausreichend Platz für die Montagewerkzeuge vorgesehen werden muß. Das voluminöse Gehäuse bringt ein entsprechend hohes Gewicht mit sich. Der Gewichtsvorteil von Aluminium gegenüber einem thermisch hochbelastbaren Werkstoff fällt daher bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.
Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine nach dem Stand der Technik mit einer Kühlung, beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, ausgestattet, welche die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe ermöglicht.
In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit mindestens einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient.
Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 011 257 A1 . Eine Flüssigkeitskühlung der Turbine wird dadurch ausgebildet, dass das eigentliche Turbinengehäuse mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in den Kühlmittel eingeleitet werden kann. Das durch die Verschalung erweiterte Gehäuse umfaßt dann den Kühlmittelmantel, weshalb es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Gehäuse der Turbine angesehen wird.
Die EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist, welcher mit Seewasser beaufschlagt wird. Bei dem Turbinengehäuse handelt es sich um ein einstückig ausgebildetes Gussteil.
Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität des üblicherweise als Kühlmittel 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. Dem Kühlmittel wird die Wärme anschließend 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.
Die Ausstattung der Turbinen mit einer Flüssigkeitskühlung ermöglicht es, die Gehäuse aus weniger wärmebeständigen Werkstoffen zu fertigen, beispielweise niedrig legierten Stählen, Grauguß, Aluminium. Andererseits kann dabei die im Turbinengehäuse vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge 40 kW und mehr betragen. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge wieder in einem 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, in dem die verschiedenen Wärmetauscher in der Regel angeordnet werden, begrenzt ist.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.
Auf der Ansaugseite einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um zu einer besseren Füllung der Zylinder beizutragen. Zur Einhaltung einer maximal zulässigen Öltemperatur genügt die Wärmeabgabe über die Ölwanne infolge Wärmeleitung und natürlicher Konvektion häufig nicht mehr, so dass im Einzelfall ein Ölkühler vorgesehen wird. Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden entgegen zu wirken. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, verlangen. Weitere Kühler können vorgesehen werden, beispielsweise zur Kühlung des Getriebeöls bei Automatikgetrieben und/oder zur Kühlung von Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere von Hydrauliköl, welches im Rahmen hydraulisch betätigbarer Verstellvorrichtungen bzw. zur Lenkunterstützung eingesetzt wird. Der Klimakondensator einer Klimaanlage ist ebenfalls ein Wärmetauscher, der während des Betriebs Wärme an die Umgebung abzugeben hat, also einen ausreichend hohen Luftstrom benötigt und daher im Front-End-Bereich anzuordnen ist.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, können die einzelnen Wärmetauscher nicht bedarfsgerecht dimensioniert werden.
Die Möglichkeit einen ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich vorzusehen, um die bei Verwendung thermisch wenig belastbarer Materialien großen Wärmemengen auch abführen zu können, ist in der Praxis nicht gegeben.
Bei der konstruktiven Auslegung einer flüssigkeitsgekühlten Turbine ist daher ein Kompromiß zwischen Kühlleistung und Werkstoff erforderlich, d. h. einzugehen.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist und die dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört, so dass der mindestens eine Kühlmittelmantel mit im Ölkreislauf zirkulierenden Öl beaufschlagt ist.
Erfindungsgemäß wird als Kühlmittel nicht Wasser, sondern Öl eingesetzt. Dies hat gleich mehrere Vorteile.
Die Ausstattung der Turbine mit einer Flüssigkeitskühlung ermöglicht den Einsatz von thermisch weniger belastbaren Werkstoffen für die Fertigung des Gehäuses, beispielweise den Einsatz von niedrig legierten Stählen, Grauguß oder Aluminium.
Insbesondere aber läßt sich der Wärmeeintrag in das Kühlmittel durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel begrenzen und im Vergleich zu dem Kühlmittel Wasser deutlich vermindern, so dass der aus dem Stand der Technik bekannte Konflikt, welcher sich aus der Verwendung von Wasser als Kühlmittel ergibt und darin besteht, sehr große Wärmemengen prozeßtechnisch bewältigen, d. h. dem als Kühlmittel dienenden Wasser wieder entziehen zu müssen, entfällt.
Dass sich die in das Kühlmittel eingebrachte Wärmemenge durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel vermindern läßt, ist unter anderem auf die stofflichen Eigenschaften von Öl zurück zu führen.
Mit der Nusselt-Zahl, einer dimensionslosen Kennzahl aus der Ähnlichkeitstheorie, kann die Wärmeübertragung an ein strömendes Fluid beschrieben werden, beispielsweise auch der Wärmeeintrag in das Kühlmittel bei Durchströmen des Turbinengehäuses. Die Nusselt-Zahl ist eine stoffabhängige und damit fluidspezifische Kennzahl. Sie ist proportional zum Wärmeübergangskoeffizienten α bei Wärmeübertragung infolge Konvektion und damit ein Maß für die Qualität, d. h. die Größe des Wärmeeintrags.
Die Nusselt-Zahl von Wasser beträgt ein Vielfaches der Nusselt-Zahl von Öl, weshalb der Wärmeeintrag infolge Konvektion bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel und ansonsten gleichen Randbedingungen deutlich höher ausfällt als wenn zur Kühlung Öl eingesetzt wird. Im Rahmen der Figurenbeschreibung werden die Unterschiede anhand eines konkreten Beispiels näher erläutert.
Das Gehäuse der Turbine läßt sich aufgrund der vorgesehenen Flüssigkeitskühlung aus kostengünstigen Werkstoffen fertigen, ohne dass übermäßig große Wärmemengen abzuführen sind, da der Wärmeübergang im Gehäuse durch die erfindungsgemäße Verwendung von Öl gezielt herabgesetzt wird.
Einerseits ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses, da die Turbine auch erfindungsgemäß mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist. Andererseits ist die Kühlleistung, d. h. der Wärmeeintrag in das Kühlmittel, durch die Verwendung von Öl derart verringert, dass die abzuführenden Wärmemengen prozeßtechnisch kein Problem darstellen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine macht den Einsatz kostenintensiver Werkstoffe entbehrlich, ohne dass übermäßig große Wärmemengen im Zusammenhang mit der Kühlung der Turbine abzuführen sind.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine mit flüssigkeitsgekühlter Turbine bereitzustellen, die hinsichtlich der Turbine optimiert ist.
Die erfindungsgemäße Ölkühlung ist von der Ölversorgung, welche der Schmierung der Turbinenwelle bzw. der Wellenlager mit Öl dient, zu unterscheiden. Prinzipbedingt kühlt auch diese Ölversorgung Teile der Turbine bzw. des Turbinengehäuses. Die Ölversorgung der Turbinenwelle als solche verfügt aber über keinen Kühlmittelmantel, was die erfindungsgemäße Ölkühlung von der Ölversorgung deutlich unterscheidet.
Die in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge läßt sich durch die Verwendung von Öl deutlich reduzieren und zwar nicht nur aufgrund der in Zusammenhang mit der Nusselt-Zahl beschriebenen Effekte. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass Öl sich deutlich stärker erhitzen läßt als Wasser, das – Atmosphärendruck vorausgesetzt – bei 100°C verdampft. Der Wärmeübergang im Gehäuse läßt sich folglich auch weiter dadurch verringern, dass die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmittel, d. h. Öl, durch Aufheizung des Öls herabgesetzt wird. Öl läßt sich im Einzelfall auf 200°C und mehr erhitzen.
Die Turbine kann in Radialbauweise oder in Axialbauweise ausgeführt sein, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial oder axial. 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. Ist die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer, liegt eine Turbine in Axialbauweise vor.
Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, ist es vorteilhaft, den Eintrittsbereich der Turbine zur Zuführung des Abgases als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse auszubilden, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt.
Die Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine bewegliche 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. Wird hingegen eine Turbine mit variabler Geometrie eingesetzt, 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.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung des Ölkreislaufs eine Abführleitung zum Abführen von Öl aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel und eine Zuführleitung zur Versorgung des mindestens einen Kühlmittelmantels mit Öl vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind weiterhin Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Ölkreislauf eine Pumpe zur Förderung des Öls und ein Wärmetauscher vorgesehen sind. Die Pumpe gestattet die Steuerung, d. h. die Festlegung der Durchflußmenge durch das Gehäuse und damit eine weitere Einflußnahme auf die Kühlung des Gehäuses und den Wärmeeintrag in das als Kühlmittel dienende Öl.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen ein mindestens einen Verbraucher mit Öl versorgendes Ölversorgungssystem vorgesehen ist, insbesondere zur Schmierung von sich bewegenden Bauteilen der Brennkraftmaschine. Das Öl dient im Rahmen einer Schmierung dazu, den Anteil der Festkörperreibung zu reduzieren und im günstigsten Fall darüber hinaus nicht nur eine Mischreibung, sondern eine Flüssigkeitsreibung zwischen relativ sich zueinander bewegenden Bauteilen zu realisieren. Dies dient in erster Linie der Haltbarkeit der Bauteile, aber auch der Reduzierung der Reibleistung.
Ein Verbraucher im vorstehend genannten Sinn ist die Kurbelwelle, deren Lager mit Schmieröl zu versorgen sind. Zur Aufnahme und Lagerung der Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen, welche in der Regel zweiteilig ausgeführt sind und jeweils einen Lagersattel und einen mit dem Lagersattel verbindbaren Lagerdeckel umfassen. Die Kurbelwelle wird im Bereich der Kurbelwellenzapfen, die entlang der Kurbelwellenachse beabstandet zueinander angeordnet und in der Regel als verdickte Wellenabsätze ausgebildet sind, gelagert. Dabei können Lagerdeckel und Lagersättel als separate Bauteile oder einteilig mit dem Kurbelgehäuse, d. h. mit den Kurbelgehäusehälften ausgebildet werden. Zwischen der Kurbelwelle und den Lager können Lagerschalen als Zwischenelemente angeordnet werden.
Im montierten Zustand ist jeder Lagersattel mit dem korrespondierenden Lagerdeckel verbunden. Jeweils ein Lagersattel und ein Lagerdeckel bilden – gegebenenfalls im Zusammenwirken mit Lagerschalen als Zwischenelemente – eine Bohrung zur Aufnahme eines Kurbelwellenzapfens. Die Bohrungen werden üblicherweise mit Motoröl, d. h. Schmieröl versorgt, so dass sich idealerweise zwischen der Innenfläche jeder Bohrung und dem dazugehörigen Kurbelwellenzapfen bei umlaufender Kurbelwelle – ähnlich einem Gleitlager – ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet.
Zur Versorgung der Lager mit Öl ist entsprechend der in Rede stehenden Ausführungsform ein Ölversorgungssystem vorgesehen.
Einen weiteren Verbraucher, der via Ölversorgung mit Öl zu versorgen ist, kann eine Nockenwelle bilden, welche in der Regel in einer zweiteiligen sogenannten Nockenwellenaufnahme gelagert ist. Die bereits hinsichtlich der Kurbelwellenlagerung gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise. Auch die Nockenwellenaufnahme wird üblicherweise mit Schmieröl versorgt. Hierzu kann ein Versorgungskanal vorgesehen werden, der beispielsweise von der Kurbelwellenaufnahme bis hin zur stromabwärts gelegenen Nockenwellenaufnahme führt. Alternativ kann eine Versorgungsleitung vorgesehen werden, die von einer in der Ölversorgung vorgesehenen Pumpe direkt zu Nockenwellenaufnahme führt.
Die Kurbelwelle und die Nockenwelle bzw. die dazugehörigen Lager, d. h. Aufnahmen, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Verbraucher bezeichnet, da diese zur Erfüllung und Aufrechterhaltung ihrer Funktion Motoröl verbrauchen bzw. brauchen, d. h. mit Motoröl versorgt werden müssen.
Weitere Verbraucher können beispielsweise die Lager einer Pleuelstange oder einer gegebenenfalls vorgesehenen Ausgleichswelle sein. Ebenfalls Verbraucher im vorgenannten Sinne ist aber auch eine Spritzölkühlung, welche den Kolbenboden zwecks Kühlung mittels Düsen von unten, d. h. kurbelgehäuseseitig, mit Motoröl benetzt und somit Öl braucht, d. h. mit Öl versorgt werden muß.
Ein hydraulisch betätigbarer Nockenwellenversteller oder andere Ventiltriebsbauteile, beispielsweise zum hydraulischen Ventilspielausgleich, haben ebenfalls einen Bedarf an Motoröl und bedürfen einer Ölversorgung und sind damit Verbraucher im vorliegenden Sinn.
Kein Verbraucher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein in der Versorgungsleitung angeordneter Ölfilter oder ein gegebenenfalls vorgesehener Ölkühler, sowie eine zur Ölförderung vorgesehene Pumpe. Zwar werden auch diese Komponenten des Ölkreislaufs der Ölversorgung mit Motoröl versorgt. Prinzipbedingt bringt aber ein Ölkreislauf die Verwendung dieser Komponenten mit sich, die ausschließlich Aufgaben, d. h. Funktionen haben, welche das Öl als solches betreffen, wohingegen ein Verbraucher erst den Ölkreislauf notwendig macht.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist.
Die Reibung in den via Ölversorgungssystem mit Öl versorgten Verbrauchern, beispielsweise den Lager der Kurbelwelle, die maßgeblich von der Viskosität und damit von der Temperatur des bereitgestellten Öls abhängt, trägt zum Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei.
Grundsätzlich ist man bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, weshalb auch eine Reduzierung der Reibleistung angestrebt wird. Ein verminderter Kraftstoffverbrauch trägt zudem auch zu einer Reduzierung der Schadstoffemissionen bei.
Ist das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden, dient das Motoröl gleichzeitig als Kühlmittel für die Turbine. Das Öl erfährt beim Durchströmen des Gehäuses eine Temperaturerhöhung. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Turbine thermisch hoch belastet ist, insbesondere im Vergleich zum Zylinderkopf bzw. Kurbelgehäuse thermisch höher belastet ist, so dass die Erwärmung des Öls, d. h. der Anstieg der Öltemperatur beim Durchströmen des Turbinengehäuses deutlicher ausfällt als bei einem Durchströmen des Zylinderkopfes bzw. des Kurbelgehäuses.
Dadurch werden eine zügige Erwärmung des Motoröls und eine schnelle Aufheizung der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, sichergestellt. Die vergleichsweise schnelle Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine sorgt für eine entsprechend schnelle Abnahme der Viskosität und damit für eine Verringerung der Reibung bzw. Reibleistung, insbesondere in den mit Öl versorgten Lagern.
Die in Rede stehende Ausführungsform hat weitere Vorteile. Dadurch, dass das Ölversorgungssystem der Brennkraftmaschine mit dem mindestens einen im Turbinengehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist, bildet die Ölversorgung den für die Kühlung des Gehäuses erforderlichen und vorgesehenen Ölkreislauf mit aus, so dass die übrigen zur Ausbildung eines Kühlkreislaufes erforderlichen Bauteile und Aggregate grundsätzlich nur in einfacher Ausfertigung vorgesehen werden müssen und sowohl für den Kühlkreislauf der Turbine als auch für die Ölversorgung verwendet werden können, was zu Synergien und erheblichen Kosteneinsparungen führt, aber auch eine Gewichtsersparnis mit sich bringt. So muß nur eine Pumpe zur Förderung des als Kühlmittel dienenden Öls und ein Behältnis zur Bevorratung des Öls vorgesehen werden. Die im Gehäuse und in der Brennkraftmaschine an das Öl abgegebene Wärme kann in einem gemeinsamen Wärmetauscher abgeführt werden, falls dies überhaupt erforderlich ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinderkopf,
– mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock, der mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, und
– einer Pumpe zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.

Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, miteinander verbunden sind.
Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben und der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Der Kolben jedes Zylinders wird axial beweglich in einem Zylinderrohr geführt und begrenzt zusammen mit dem Zylinderrohr und dem Zylinderkopf den Brennraum eines Zylinders. Der Kolbenboden bildet dabei einen Teil der Brennrauminnenwand und dichtet zusammen mit den Kolbenringen den Brennraum gegen das Kurbelgehäuse ab, so dass keine Verbrennungsgase bzw. keine Verbrennungsluft in das Kurbelgehäuse gelangen und kein Öl in den Brennraum gelangt.
Der Kolben dient der Übertragung der durch die Verbrennung generierten Gaskräfte auf die Kurbelwelle. Hierzu ist der Kolben mittels eines Kolbenbolzens mit einer Pleuelstange gelenkig verbunden, die wiederum an der Kurbelwelle beweglich gelagert ist.
Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf, die sich aus den Gaskräften infolge der Kraftstoffverbrennung im Brennraum und den Massenkräften infolge der ungleichförmigen Bewegung der Triebwerksteile zusammensetzen. Dabei wird die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle transformiert. Die Kurbelwelle überträgt dabei das Drehmoment an den Antriebsstrang. Ein Teil der auf die Kurbelwelle übertragenen Energie wird in der Regel zum Antrieb von Hilfsaggregaten wie der Ölpumpe und der Lichtmaschine verwendet oder dient dem Antrieb der Nockenwelle und damit der Betätigung des Ventiltriebes. Die Nockenwelle wird dabei häufig als obenliegende Nockenwelle im Zylinderkopf gelagert.
Im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die obere Kurbelgehäusehälfte durch den Zylinderblock gebildet. Ergänzt wird das Kurbelgehäuse durch die an die obere Kurbelgehäusehälfte montierbare und als Ölwanne dienende untere Kurbelgehäusehälfte. Dabei weist die obere Kurbelgehäusehälfte zur Aufnahme der Ölwanne, d. h. der unteren Kurbelgehäusehälfte, eine Flanschfläche auf. In der Regel wird zur Abdichtung der Ölwanne bzw. des Kurbelgehäuses gegenüber der Umgebung eine Dichtung in der bzw. an der Flanschfläche vorgesehen. Die Verbindung erfolgt häufig durch eine Verschraubung. Die Ölwanne dient dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls und ist Teil des Ölkreislaufs, d. h. der Ölversorgung. Darüber hinaus dient die Ölwanne als Wärmetauscher zur Absenkung der Öltemperatur bei auf Betriebstemperatur aufgeheizter Brennkraftmaschine. Das in der Ölwanne befindliche Öl wird dabei durch Wärmeleitung und Konvektion mittels an der Außenseite vorbeigeführter Luftströmung gekühlt.
Eine Pumpe dient zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.
Häufig versorgt die Pumpe via Versorgungsleitung eine Hauptölgalerie, von der Kanäle zu den mindestens zwei Lager der Kurbelwelle führen, mit Motoröl. Dabei führt die Versorgungsleitung entweder von der Pumpe durch den Zylinderblock zur Hauptölgalerie oder zuerst in den Zylinderkopf und anschließend via Block zur Hauptölgalerie.
Stromabwärts der Verbraucher, d. h. nachdem das Öl in den Verbrauchern verwendet wurde, führen sogenannte Rückführleitungen das Motoröl zurück in die Ölwanne, wodurch der Ölkreislauf geschlossen wird. Die Rückführung des Öls ist dabei schwerkraftgetrieben. Der Ölkreislauf kann grundsätzlich in einen Hochdruckteil und einen Niederdruckteil unterteilt werden, wobei der Hochdruckteil den Abschnitt des Ölkreislaufs umfaßt, der stromaufwärts der Verbraucher liegt, und der Niederdruckteil den Abschnitt stromabwärts der Verbraucher bezeichnet.
Die vorgesehene Pumpe selbst muß auch mit Öl versorgt werden. Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Saugleitung von der Ölwanne zur Pumpe führt, um die Pumpe mit aus der Ölwanne stammendem Motoröl zu versorgen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Versorgungsleitung stromabwärts der Pumpe zu dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel führt, wobei vorzugsweise zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel kein Verbraucher angeordnet ist.
Hinsichtlich einer möglichst schnellen Erwärmung des Motoröls während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und einer Reduzierung der Reibung in den mit Öl versorgten Verbrauchern, insbesondere den Lager, ist es vorteilhaft, wenn das Öl zunächst beim Durchströmen des Turbinengehäuses erwärmt wird bevor es den Verbrauchern zugeführt wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der in Rede stehenden Ausführungsform ist, dass der Abschnitt der Versorgungsleitung stromaufwärts der Verbraucher zum Hochdruckteil des Ölversorgungskreislaufs gehört. Folglich ist die Förderung des Öls durch das Turbinengehäuse druckgetrieben und nicht schwerkraftgetrieben wie beispielsweise bei einer Rückführleitung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Pumpe ein Filter vorgesehen ist, vorzugsweise zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abführleitung zum Abführen von Öl aus dem mindestens einen Kühlmittelmantel in das Ölversorgungssystem einmündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen eine Aufladung mittels Abgasturboaufladung vorgesehen ist und die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
Eine flüssigkeitsgekühlte Turbine ist besonders vorteilhaft bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen thermisch besonders stark belastet sind.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. 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 Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmungen erfolgt.
Hingegen erfordert die Flüssigkeitskühlung die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Block führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur 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.
Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität einer Flüssigkeit gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist.
Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, im Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung einen Kühlmittelmantel zu integrieren.
Vorzugsweise sollte die Kühlleistung derart hoch sein, dass auf eine Anfettung (λ < 1) zur Absenkung der Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise in der EP 1 722 090 A2 beschrieben ist und die unter energetischen Aspekten – insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine – und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen ist, verzichtet werden kann.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass

– im Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel auslaßseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel einlaßseitig angeordnet ist, wobei diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel voneinander getrennt sind und unterschiedlichen separaten Kühlmittelkreisläufen angehören.

Der Zylinderkopf verfügt über zwei voneinander unabhängige Kühlmittelkreisläufe, die jeweils mindestens einen Kühlmittelmantel umfassen und insbesondere mit unterschiedlichen Kühlmitteln betrieben werden können.
Diese Ausgestaltung bzw. Ausbildung der Flüssigkeitskühlung gestattet eine bedarfsgerechte Kühlung der Einlaßseite einerseits und der Auslaßseite andererseits und zwar unabhängig voneinander und entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil.
Der mindestens eine Kühlmittelmantel des einen Kreislaufs ist auslaßseitig und der mindestens eine Kühlmittelmantel des anderen Kreislaufs ist einlaßseitig angeordnet, so dass für die Einlaßseite und die Auslaßseite unterschiedliche Kühlleistungen realisiert werden können und zwar nicht nur durch den Einsatz unterschiedlicher Kühlmittel. Vielmehr kann die Pumpenleistung jedes Kreislaufs unabhängig voneinander gewählt und eingestellt werden und damit auch der Kühlmitteldurchsatz, d. h. das Fördervolumen. Hierdurch kann Einfluß auf die Durchflußgeschwindigkeit genommen werden, die den Wärmeübergang durch Konvektion maßgeblich mitbestimmt.
Auf diese Weise kann dem Zylinderkopf einlaßseitig weniger Wärme und auslaßseitig mehr Wärme entzogen werden.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.
Durch die Verwendung von Öl wird die Kühlleistung einlaßseitig gegenüber einer Verwendung von Wasser als Kühlmittel spürbar vermindert. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Flüssigkeitskühlung bietet die Möglichkeit, dem Zylinderkopf einlaßseitig nur so viel Wärme zu entziehen, wie erforderlich ist, um eine Überhitzung zu verhindern, wohingegen die Einlaßseite nach dem Stand der Technik aufgrund der einheitlichen Verwendung von Wasser als Kühlmittel stärker gekühlt wird als dies eigentlich erforderlich ist, da die Auslegung der Kühlung im Hinblick auf die thermisch stärker beanspruchte Auslaßseite erfolgt. Die Brennkraftmaschine ist damit hinsichtlich der Kühlung optimiert. Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird durch die beschriebene Art der Flüssigkeitskühlung erhöht.
Bei Verwendung von Öl als Kühlmittel für die Einlaßseite des Zylinderkopfes sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel und der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel demselben Ölkreislauf angehören. Bei geeigneter Kühlmittelführung ergeben sich insbesondere Vorteile beim Warmlaufen der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Vorzugsweise durchströmt das Öl zunächst das Gehäuse und stromabwärts den Zylinderkopf.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf, bei der der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder und jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Zu berücksichtigen ist, dass grundsätzlich angestrebt wird, die Turbine, insbesondere die Turbine eines Abgasturboladers, möglichst nahe am Auslaß der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine bzw. des Turboladers zu gewährleisten. Des Weiteren soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
Man ist daher bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Turbine bzw. zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann.
Dabei ist es zielführend, die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammen zu führen.
Die Länge der Abgasleitungen wird durch die Integration des Krümmers verringert. Zum einen wird das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen 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 derartig ausgebildeter Zylinderkopf ist aber thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, weshalb erhöhte Anforderungen an die Kühlung gestellt werden. Die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einer Flüssigkeitskühlung ist daher besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit der Integration des Abgaskrümmers.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens zwei Zylinder aufweist.
Weist ein Zylinderkopf zwei Zylinder auf und führen die Abgasleitungen von einem Zylinder zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine der in Rede stehenden Art.
Weist der Zylinderkopf drei oder mehr Zylinder auf und führen nur die Abgasleitungen von zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, handelt es sich ebenfalls um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine.
Ausführungsformen, bei denen der 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, führen ebenfalls zu erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen.
Bei drei und mehr Zylindern sind 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 auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Werden die Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslaßstöße, erhalten werden können, eignet sich eine zweiflutige Turbine insbesondere für eine Stoßaufladung, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu einer einzigen, d. h. gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse ein Gussteil ist. Durch Gießen und Verwendung entsprechender Kerne läßt sich die komplexe Struktur des Gehäuses in einem Arbeitsgang formen, so dass anschließend nur eine Nachbearbeitung des Gehäuses und die Montage erforderlich sind, um die Turbine auszubilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder des Zylinderkopfes zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Die Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen der Zylinder sollen rechtzeitig freigeben und geschlossen werden, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinder mit zwei oder mehr Einlaßöffnungen bzw. Auslaßöffnungen auszustatten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Turbine und der Zylinderkopf separate Bauteile darstellen, welche kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Ein modularer Aufbau, 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 auch Ausführungsformen, bei denen das Turbinengehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
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 Kreisläufe und der Leckage von Kühlmittel gilt Ähnliches in analoger Weise.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13 aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Öltemperatur angehoben wird, um den Wärmeeintrag in das Öl beim Durchströmen des Gehäuses zu vermindern.
Das für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt in analoger Weise für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb Bezug genommen wird auf das im Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine Gesagte.
Der Wärmeübergang im Gehäuse läßt sich dadurch vermindern, dass die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmittel, d. h. Öl, durch Aufheizung des Öls herabgesetzt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 in einem Diagramm das Verhältnis der Wärmeübergangskoeffizienten von zwei verschiedenen Kühlmitteln in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur und der Durchflußmenge.
1 zeigt in einem Diagramm das Verhältnis HTC Ratio der Wärmeübergangskoeffizienten HTC_Öl und HTC_Wasser von zwei verschiedenen Kühlmitteln in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_Kühlmittel und der Durchflußmenge V.
Als Kühlmittel dient einerseits Öl (HTC_Öl bzw. V_Öl) und andererseits Wasser (HTC_Wasser bzw. V_Wasser). Bei dem verwendeten Kühlwasser handelt es sich um eine Mischung aus Wasser und Glykol.
Das dimensionslose Verhältnis HTC Ratio der Wärmeübergangskoeffizienten HTC_Öl und HTC_Wasser ist auf der linken Ordinate aufgetragen und auf der Abszisse die Durchflußmenge ebenfalls als dimensionsloses Verhältnis V_Öl/V_Wasser.
Steigt die Kühlmitteltemperatur, beispielsweise von T_Kühlmittel = 20°C auf T_Kühlmittel = 120°C, nimmt der Wärmeübergangskoeffizient des Öls gegenüber dem Koeffizienten von Kühlwasser spürbar zu. Dies zeigt deutlich, dass bei höheren Kühlmitteltemperaturen die Kühlung mittels Öl Vorteile bei der Wärmeabfuhr hat, nämlich Öl stärker kühlt.
Dem Diagramm kann darüber hinaus entnommen werden, dass – auch bei der Verwendung von Öl als Kühlmittel – der Wärmeübergangskoeffizient mit der Durchflußmenge zunimmt, da mit der Durchflußmenge die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt.
Insbesondere aber läßt sich dem Diagramm entnehmen, dass der Wärmeeintrag in das Kühlmittel durch die Verwendung von Öl als Kühlmittel deutlich vermindert wird im Vergleich zu einer Kühlung mit Wasser. Dies liegt darin begründet, dass der Wärmeübergangskoeffizient HTC_Wasser von Wasser den Koeffizienten HTC_Öl von Öl um ein Vielfaches übersteigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1640596 B1 [0003]
DE 102008011257 A1 [0009]
EP 1384857 A2 [0010]
EP 1722090 A2 [0082]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einer flüssigkeitsgekühlten Turbine, bei der die ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Gehäuse integrierte Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Ölkreislauf eine Pumpe zur Förderung des Öls und/oder ein Wärmetauscher vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mindestens einen Verbraucher mit Öl versorgendes Ölversorgungssystem vorgesehen ist, insbesondere zur Schmierung von sich bewegenden Bauteilen der Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ölversorgungssystem mit dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4 mit – mindestens einem Zylinderkopf, – mindestens einem mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbundenen und als obere Kurbelgehäusehälfte dienenden Zylinderblock, der mit einer als untere Kurbelgehäusehälfte dienenden Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten von Motoröl dient, auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite verbunden ist, und – einer Pumpe zur Förderung des Motoröls via Versorgungsleitung zu dem mindestens einen Verbraucher innerhalb des Ölversorgungssystems.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung stromabwärts der Pumpe zu dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel führt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pumpe und dem mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel kein Verbraucher angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufladung mittels Abgasturboaufladung vorgesehen ist und die Turbine Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinderkopf, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei jeder Zylinder auslaßseitig mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase und einlaßseitig mindestens eine Einlaßöffnung zum Zuführen von Frischluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – im Zylinderkopf mindestens ein Kühlmittelmantel auslaßseitig und mindestens ein Kühlmittelmantel einlaßseitig angeordnet ist, wobei diese mindestens zwei Kühlmittelmäntel voneinander getrennt sind und unterschiedlichen separaten Kühlmittelkreisläufen angehören.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine auslaßseitige Kühlmittelmantel einem Kühlwasserkreislauf angehört, wohingegen der mindestens eine einlaßseitige Kühlmittelmantel einem Ölkreislauf angehört.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens einem Zylinderkopf, bei der der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder und jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Verfahren zum Kühlen der mindestens einen Turbine einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öltemperatur angehoben wird, um den Wärmeeintrag in das Öl beim Durchströmen des Gehäuses zu vermindern.