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Patent Searching and Data


Title:
INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/125553
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to an internal combustion engine (1), particularly for a motor vehicle. The internal combustion engine (1) has a cylinder head (4) and at least one turbocharger stage (8) of a turbocharger (7), the stage in turn comprising a turbine (10). According to the invention, the turbine (10) is arranged in the cylinder head (4).

Inventors:
HEYES FRANCIS (GB)
HUBER NORBERT (DE)
KOCH ACHIM (DE)
MEHNE GEORG (DE)
SCHOPP GERHARD (DE)
TEINER MARKUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2008/054238
Publication Date:
October 23, 2008
Filing Date:
April 08, 2008
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
HEYES FRANCIS (GB)
HUBER NORBERT (DE)
KOCH ACHIM (DE)
MEHNE GEORG (DE)
SCHOPP GERHARD (DE)
TEINER MARKUS (DE)
International Classes:
F02B37/00; F01D25/24; F02B39/00; F02B67/10
Domestic Patent References:
WO2000011330A22000-03-02
Foreign References:
GB676512A1952-07-30
EP1016778A22000-07-05
EP1541826A12005-06-15
EP1426557A12004-06-09
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Claims:

Patentansprüche

1. Brennkraftmaschine (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf (4) und wenigstens einer Turbo- laderstufe (8) eines Turboladers (7), die eine Turbine (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (10) in dem Zylinderkopf (4) angeordnet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wenigstens eine Turboladerstufe (8) einen Verdichter (9) aufweist, der ebenfalls in dem Zylinderkopf (4) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (10) und der Verdichter (9) der wenigstens einen Turboladerstufe (8) mittels einer Welle (11) miteinander gekoppelt sind und die Welle (11) ebenfalls in dem Zylin- derkopf (4) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Turbine (10) ein Gehäuse (23) mit einem Abgaseinlass (16) aufweist, dieser Abgaseinlass (16) mit einer Abgaszuleitung (24) zum Zuführen von Abgas zu der Turbine (10) verbunden und die Abgaszuleitung (24) in dem Zylinderkopf (4) ausgebildet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Grenzfläche zwischen der Abgaszuleitung (24) und/oder dem Turbinengehäuse (23) einerseits und dem Zylin- derkopf (4) andererseits mit einer Wärmeschutzschicht (25), insbesondere einer keramischen Wärmeschutzschicht, überzogen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Zylinderkopf (4) eine Oleinlassoffnung (18) zum Ein- lassen von Ol aufweist und die Turboladerstufe (8) so angeordnet ist, dass sie von in den Zylinderkopf (4) eingelassenem Ol versorgt ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Anspru- che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Zylinderkopf (4) eine Kuhlmitteleinlassoffnung (20) zum Einlassen von einem Kuhlmittel aufweist und die Turboladerstufe (8) so angeordnet ist, dass sie von in den Zylinder- köpf (4) eingelassenem Kuhlmittel versorgt ist.

Description:

Beschreibung

Brennkraftmasehine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Zylinderkopf und wenigstens einer Turboladerstufe eines Turboladers, die eine Turbine aufweist.

Bei herkömmlichen, nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen

(Otto- oder Dieselmotor) wird beim Ansaugen von Luft ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt, der mit wachsender Drehzahl ansteigt und der die theoretisch erreichbare Leistung des Motors begrenzt. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, und damit eine Leistungssteigerung zu erzielen, ist die Verwendung eines Abgasturboladers (ATL) . Ein Abgasturbolader, oder kurz Turbolader, ist ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine, mittels dem die Zylinder der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Ladeluftdruck beaufschlagt werden.

Der detaillierte Aufbau und die Funktionsweise eines solchen Turboladers ist vielfach bekannt und wird daher nachfolgend nur kurz erläutert. Ein Turbolader besteht aus einer (Abgas- ) Turbine im Abgasstrom (Abströmpfad), die typischerweise über eine gemeinsame Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt

(Anströmpfad) verbunden ist. Die Turbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt so den Verdichter an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt des Motors, so dass durch diese Verdichtung während des Ansaugtak- tes eine größere Menge Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine gelangt, als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung. Dadurch steigen der Mitteldruck des Motors und sein Drehmoment, was die Leistungsabgabe signifikant erhöht. Das Zuführen einer größeren Menge an Frischluft verbunden mit dem Verdichtungs- prozess nennt man Aufladen. Die Energie für die Aufladung wird durch die Turbine den schnell strömenden, heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch das Abgassystem

verloren ginge, wird zur Verringerung der Ansaugverluste benutzt. Durch diese Art der Aufladung steigt der Gesamtwirkungsgrad einer turboaufgeladenen Brennkraftmaschine.

Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht der Bedarf, den im Motorraum vorhandenen Platz effektiv zu nutzen. Dies ist mitunter beim Einsatz eines Turboladers erschwert. Der Freiheitsgrad bei der Auslegung und dem Design des Turboladers, und dabei insbesondere dessen Frischluft- und Abgaskanäle, ist begrenzt. Dies liegt u.a. an der Kopplung zwischen Verdichter und Turbine.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine platzsparende Anordnung eines Turboladers in einem Motorraum zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Erfindungsgemäß ist die Turbine der wenigstens einen Turboladerstufe in dem Zylinderkopf angeordnet. Dies gewährleistet eine platzsparende und kompakte Anordnung des Turboladers. Ferner kann eine Reduzierung des Gewichts erreicht werden. Des Weiteren können vorteilhafterweise Geräusche, die der

Turbolader, insbesondere seine Turbine, im Betrieb erzeugt, durch den Zylinderkopf gedämpft werden. Dies verringert den Geräuschpegel, der von der Brennkraftmaschine nach außen abgegeben wird. Vorteilhafterweise ist es ebenfalls möglich, eine Wärmestrahlung, die in einem Motorraum zirkuliert, in dem die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gegebenenfalls angeordnet ist, zu begrenzen und zu reduzieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die wenigstens eine Turboladerstufe einen Verdichter auf, der e- benfalls in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Dies gewährleistet eine besonders platzsparende und kompakte Anordnung des Turboladers. Von dem Verdichter verdichtete Luft kann vor-

teilhafterweise besonders effizient in Zylinder der Brennkraftmaschine eingespeist werden. Eine Zuleitung zum Zuführen der verdichteten Luft in die Zylinder kann besonders kompakt ausgestaltet sein.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Turbine und der Verdichter der wenigstens einen Turboladerstufe mittels einer Welle miteinander gekoppelt und die Welle ebenfalls in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Dies ge- währleistet eine noch platzsparendere und kompaktere Anordnung des Turboladers.

Bevorzugt weist die Turbine ein Gehäuse mit einem Abgasein- lass auf. Dieser Abgaseinlass ist mit einer Abgaszuleitung zum Zuführen von Abgas zu der Turbine verbunden. Die Abgaszuleitung ist ferner ebenfalls in dem Zylinderkopf ausgebildet. Die Abgaszuleitung ist in dem Zylinderkopf insbesondere thermisch geschützt angebracht. Dadurch wird im Betrieb relativ wenig, durch die heißen Abgase in der Zuleitung übertragene Wärme durch die Zuleitung abgegeben. Dies verbessert die

Wirksamkeit der Turbine, da gegenüber der herkömmlichen Anordnung der Abgaszuleitung mehr Wärme in die Turbine gelangt. Es kann somit ein besonders gutes transientes Verhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere bei deren Start und gegebe- nenfalls kurz danach, gewährleistet werden. Ferner kann ein besonders gutes Anspringverhalten eines Katalysators zum Reduzieren von Abgasemissionen der Brennkraftmaschine gewährleistet werden. Der Katalysator befindet sich dabei auf der Abgasseite zwischen einem Turbinenabgasauslass und einem Aus- puff. Bei der herkömmlichen Anordnung der Abgaszuleitung außerhalb des Zylinderkopfs stellt sie, vor allem bei transien- ten Vorgängen der Brennkraftmaschine, eine Wärmesenke dar, was insbesondere für das Aufwärmen des Katalysators und die Leistung des Turboladers nachteilig ist. Die Abgaszuleitung ist insbesondere zumindest ein Teil eines Abgaskrümmers, mit dem insbesondere von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgase aus der Brennkraftmaschine abtransportiert werden.

Besonders bevorzugt ist eine Grenzflache zwischen der Abgaszuleitung und/oder dem Turbinengehause einerseits und dem Zylinderkopf andererseits mit einer Warmeschutzschicht, insbesondere einer keramischen Warmeschutzschicht, überzogen. Da- durch kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass Warme, die von den in der Abgaszuleitung und dem Turbinengehause vorhandenen Abgasen transportiert wird, in das Material des Zylinderkopfes übergeleitet wird. Dies begrenzt die thermische Belastung des Zylinderkopfes. Ferner gewahrleistet dies einen noch besseren Wirkungsgrad der Turbine.

Des Weiteren vorzugsweise weist der Zylinderkopf eine Olein- lassoffnung zum Einlassen von Ol auf. Die Turboladerstufe ist dabei so angeordnet, dass sie von in den Zylinderkopf einge- lassenem Ol versorgt ist. Es ist somit möglich, Zuleitungen zum Zufuhren des Ols zum Zylinderkopf auch zum Versorgen der wenigstens einen Turboladerstufe mit Ol zu verwenden. Eine zusatzliche, und damit eigene, Versorgungsleitung zum Versorgen der wenigstens einen Turboladerstufe mit Ol ist somit vorteilhafterweise nicht erforderlich. Dies verbessert weiter den Kompaktheitsgrad der erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine. Ferner ist dies besonders kostengünstig.

Besonders bevorzugt weist der Zylinderkopf eine Kuhlmit- teleinlassoffnung zum Einlassen von einem Kuhlmittel auf. Die Turboladerstufe ist dabei so angeordnet, dass sie von in den Zylinderkopf eingelassenem Kuhlmittel versorgt ist. Es ist somit möglich, Zuleitungen zum Zufuhren des Kuhlmittels zum Zylinderkopf auch zum Versorgen der wenigstens einen Turbola- derstufe mit Kuhlmittel zu verwenden. Eine zusatzliche, und damit eigene, Versorgungsleitung zum Versorgen der wenigstens einen Turboladerstufe mit Kuhlmittel ist somit vorteilhafterweise nicht erforderlich. Dies verbessert noch weiter den Kompaktheitsgrad der erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine. Ferner ist dies besonders kostengünstig. Eine zusatzliche Erwärmung des Kuhlmittels durch die von der Turbine zugefuhrte Warme kann vorteilhafterweise für eine Heizung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, genutzt werden. Mit der so betriebe-

nen Heizung kann beispielsweise ein Innenraum des Kraftfahrzeugs vorteilhafterweise schnell aufgewärmt werden. Als Kühlmittel kann einfachheitshalber Wasser eingesetzt werden.

Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach Fig. 1.

In den Figuren sind nachfolgend gleiche oder funktionsgleiche Elemente - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1, die in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist eine turboaufgeladene Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Otto- oder ein Dieselmotor. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Motorblock 2 auf, der im gezeigten Beispiel vier Zylinder 3 und einen Zylinderkopf 4 enthält. Die Brennkraftmaschine 1 weist in bekannter Weise ferner einen Ansaugkrümmer 5 sowie einen Abgaskrümmer 6 auf, die in Fig. 1 lediglich schematisch und stark vereinfacht angedeutet sind. Der An- saugkrümmer 5 bildet somit die (Frisch-) Lufteinlassseite des Motorblocks 2 und der Abgaskrümmer 6 dessen Abgasauslassseite.

Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Turbolader 7 auf, der in der Fig. 1 stark vereinfacht dargestellt ist. Der Turbolader 7 gemäß Fig. 1 ist hier einstufig ausgebildet, das heißt, er hat lediglich eine Turboladerstufe 8, die einen Verdichter 9 und eine Turbine 10 aufweist. Der Verdichter 9 und die Turbi-

nen sind mittels einer drehbaren Welle 11 miteinander gekoppelt. Der Verdichter 9 ist in einem Anstrompfad 12 und die Turbine 10 in einem Abstrompfad 13 angeordnet. Der Anstrompfad 12 des Turboladers 8 ist definiert zwischen einem Frischlufteinlass 14, über den Frischluft angesaugt wird, und einem Frischluftauslass 15, über den durch den Verdichter 9 verdichtete Frischluft vom Turbolader 7 bereitgestellt wird. Diese abgegebene, verdichtete Frischluft wird der Frischlufteinlassseite der Brennkraftmaschine 1, d. h. dem Ansaugkrum- mer 5, zugeführt. Der Ansaugkrummer 5 ist hier insofern mit dem Frischluftauslass 15 des Turboladers 7 verbunden. Der Abstrompfad 13 des Turboladers 7 ist definiert zwischen einem Abgaseinlass 16, über den von der Brennkraftmaschine 1 erzeugtes Abgas in den Turbolader 7 eingeleitet wird, und einem Abgasauslass 17, über den das Abgas ausströmen kann. Der Abgaskrummer 6 ist hier insofern mit dem Abgaseinlass 16 des Turboladers 7 verbunden. Der Anstrompfad 12 wird häufig auch als Ansaugtrakt, Frischluftseite, Verdichterseite oder Ladeluftseite bezeichnet. Der Abstrompfad 13 wird häufig auch als Abgaspfad oder Abgasseite bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Zylinderkopfs 4 der erfindungsgemaßen Brennkraftmaschine 1 nach Fig. 1. In den Zylinderkopf 4 mundet an einer Einlassoffnung 18 eine Zu- fuhrleitung 19 zum Zufuhren von Ol zu dem Zylinderkopf 4.

Ferner mundet in eine weitere Einlassoffnung 20 eine weitere Zufuhrleitung 21 zum Zufuhren von Wasser als Kuhlmittel. Das Wasser dient u. a. zum Kuhlen des Zylinderkopfs 4. Erfin- dungsgemaß ist der Turbolader 7 in dem Zylinderkopf 4 ange- ordnet. Fig. 2 ein Verdichtergehause 22, in dem die Bestandteile des Verdichters 9 ausgebildet sind, ein Turbinengehause 23, in dem die Bestandteile der Turbine 10 ausgebildet sind, und die Welle 11, die den Verdichter 9 und die Turbine 10 miteinander koppelt. Das Verdichtergehause 22 und das Turbi- nengehause 23 sowie die Welle 11 sind in dem Zylinderkopf 4 angeordnet. In der Fig. 2 sind der Frischlufteinlass 14 und der Frischluftauslass 15 am Verdichtergehause 22 schematisch angedeutet. Entsprechend sind der Abgaseinlass 16 und der Ab-

gasauslass 17 am Turbinengehause 23 schematisch angedeutet. In dem Zylinderkopf 4 ist ein Abgaskrummer 24 integriert, der in den Abgaseinlass 16 mundet und der Turbine 10 im Betrieb von der Brennkraftmaschine 1 ausgegebene Abgase zufuhrt. Der Abgaskrummer 24 kann beispielsweise als Rohrleitungskanal im Material des Zylinderkopfs 4 ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist eine Grenzflache zwischen dem Abgaskrummer 24 und dem Material des Zylinderkopfs 4 mit einer keramischen Warmeschutzschicht 25 überzogen, um den Zylinder- köpf 4 vor der Warme zu schützen, die die heißen Abgase im

Abgaskrummer 24 fuhren. Gleiches gilt hier für das Turbinengehause 23, dessen Außenflache, die an das Material des Zylinderkopfs 4 grenzt, ebenfalls mit der keramischen Warmeschutzschicht 25 versehen ist. Vorteilhafterweise ist der ge- samte, im Zylinderkopf 4 ausgebildete Abgaskanal zwischen einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass des Zylinderkopfs 4 mit der keramischen Warmeschutzschicht 25 überzogen.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, aufgrund der Integration des Turboladers 7 in den

Zylinderkopf 4 eine sehr kompakte Anordnung im Motorraum des Kraftfahrzeugs zu gewahrleisten. Die Anordnung der Komponenten des Turboladers 7 in dem Zylinderkopf 4 ermöglicht es vorteilhafterweise ferner, die Ol- und Wasserzufuhr zu dem Zylinderkopf 4 über die Zufuhrleitungen 19 bzw. 21 auch für die Komponenten des Turboladers 7 auszunutzen. Das Kuhlen des Verdichtergehauses 22, des Turbinengehauses 23 und der Welle 11 kann mittels des über die Zufuhrleitung 21 zugefuhrten Wassers erfolgen. Ebenso kann das Versorgen von Komponenten des Turboladers 7, insbesondere der Welle 11, mit Ol mittels des über die Zufuhrleitung 19 zugefuhrten Ols erfolgen. Zusatzliche Leitungen oder Rohre zum expliziten Zufuhren von Wasser und/oder Ol zu dem Turbolader 7 sind somit nicht erforderlich. Dies erhöht weiter den Kompaktheitsgrad der An- Ordnung. Der Turbolader 7 enthalt hier nur eine einzige Turboladerstufe 8. Es ist aber ebenso möglich, die vorliegende Erfindung auf mehrere Turboladerstufen anzuwenden. Auch bei mehreren Turboladerstufen in dem Turbolader 7 können diese in

dem Zylinderkopf 4 angeordnet sein. Dabei können mehrere unterschiedliche Möglichkeiten des Anordnens vorhanden sein. Dies kann insbesondere von der tatsächlichen Anzahl der Turbinen abhängen. Beispielsweise ist es möglich, für jeden Zy- linderauslass eine Turbine vorzusehen. Es kann aber ebenso sein, dass nur eine einzige Turbine für einen Zylinderkopf zulässig ist. Es ist ebenso möglich, mehrere Turbinen auf einer gemeinsamen Welle auszubilden und diese einem oder mehreren Turboladern oder Turboladerstufen zuzuordnen.