DE102010017558A1 - Internal combustion engine for driving motor vehicles, has cylinder head and turbine, where dosing device, which is provided for dosing liquid coolant in cavity for evaporation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine, bei der
- – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder umfaßt, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
- – die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Nutzung der Abgasenthalpie mit mindestens einer Abgasleitung verbunden ist, wobei das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mit einem kühlmittelmantelähnlichen Hohlraum ausgestattet ist.
- - The at least one cylinder head comprises at least one cylinder, each cylinder having at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder and connects to each outlet opening an exhaust pipe, and
- - The at least one turbine housing having a turbine for using the exhaust gas enthalpy is connected to at least one exhaust pipe, wherein the turbine housing is equipped to form a cooling with a coolant jacket-like cavity.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Brennkraftmaschinen der oben genannten Art werden als Antrieb für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.Internal combustion engines of the above type are used as a drive for motor vehicles. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, d. H. Internal combustion engines operated by a hybrid combustion process.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung des mindestens einen Zylinders, d. h. Brennraums, miteinander verbunden werden. Der Zylinderblock weist zur Aufnahme der Kolben bzw. der Zylinderrohre eine entsprechende Anzahl an Zylinderbohrungen auf. Die Kolben werden axial beweglich in den Zylinderrohren geführt und bilden zusammen mit den Zylinderrohren und dem Zylinderkopf die Brennräume der Brennkraftmaschine aus.Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head which are used to form the at least one cylinder, i. H. Combustor, to be interconnected. The cylinder block has a corresponding number of cylinder bores for receiving the pistons or the cylinder tubes. The pistons are guided axially movably in the cylinder tubes and, together with the cylinder tubes and the cylinder head, form the combustion chambers of the internal combustion engine.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane, d. h. Ventile, und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung der Steuerorgane. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen und das Füllen des Brennraums, d. h. das Ansaugen, über die Einlaßöffnungen. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet.The cylinder head is usually used to hold the valve train. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires control devices, i. H. Valves, and actuators for actuating the control members. As part of the charge exchange, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings and the filling of the combustion chamber, d. H. the suction, over the inlet openings. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train.
Die Einlaßkanäle, die zu den Einlaßöffnungen führen, und die Auslaßkanäle bzw. Abgasleitungen, die sich an die Auslaßöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden gruppenweise zusammengeführt, häufig auch zu einer einzigen Gesamtabgasleitung. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Abgasleitung wird im Allgemeinen und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.The inlet ducts leading to the inlet openings and the outlet ducts or exhaust ducts adjoining the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art. The exhaust pipes of the cylinders are combined in groups, often to a single overall exhaust line. The merging of exhaust pipes to a common exhaust pipe is generally and also referred to in the context of the present invention as an exhaust manifold.
Stromabwärts des mindestens einen Zylinders werden die Abgase via Abgasleitung gegebenenfalls der Turbine eines Abgasturboladers und/oder einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen zugeführt.Downstream of the at least one cylinder, the exhaust gases are optionally supplied via the exhaust pipe to the turbine of an exhaust gas turbocharger and / or one or more exhaust aftertreatment systems.
Dabei ist man zum einen bemüht, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine 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 eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.It is on the one hand endeavored to arrange the turbine of the exhaust gas turbocharger as close to the outlet of the engine to optimally use in this way the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, and a quick response of the turbocharger guarantee. On the other hand, the way the hot exhaust gases to the various exhaust aftertreatment systems should be as short as possible, so that the exhaust gases are given little time to cool and the exhaust aftertreatment systems reach their operating temperature or light-off as soon as possible, especially after a cold start of the engine.
Die möglichst motornahe Anordnung der Turbine führt dazu, dass die Turbine durch die heißen Verbrennungsgase thermisch sehr hoch belastet wird. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass sich die thermische Belastung durch eine Aufladung nochmals erheblich vergrößert. Für die Herstellung der Turbine, insbesondere des Turbinengehäuses, sind daher thermisch hochbelastbare Werkstoffe erforderlich.The arrangement of the turbine, which is as close to the engine as possible, means that the turbine is subjected to a high thermal load by the hot combustion gases. It should also be taken into account in this connection that the thermal load caused by charging increases considerably again. For the production of the turbine, in particular of the turbine housing, therefore thermally highly resilient materials are required.
Die Herstellungskosten für eine derartige Turbine sind aufgrund der Verwendung dieser thermisch hochbelastbaren – häufig nickelhaltigen – Werkstoffe sehr hoch, insbesondere im Vergleich zu den Kosten, die bei Einsatz des eigentlich bevorzugten Werkstoffes, nämlich Aluminium, entstehen würden. Nicht nur die Werkstoffe als solche, d. h. die Werkstoffkosten, führen zu einer Kostensteigerung, sondern auch die kostenintensivere Bearbeitung dieser hochbelastbaren Werkstoffe, d. h. die Bearbeitungskosten.The production costs for such a turbine are very high due to the use of these thermally highly resilient - often nickel-containing - materials, especially in comparison to the costs that would arise when using the actually preferred material, namely aluminum. Not only the materials as such, d. H. The material costs lead to an increase in costs, but also the more cost-intensive processing of these heavy-duty materials, d. H. the processing costs.
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.It follows from the foregoing that in terms of cost, it would be highly advantageous if a turbine could be provided that could be made from a less expensive material, such as aluminum.
Die Verwendung von Aluminium wäre auch im Hinblick auf das Gewicht der Turbine vorteilhaft. Insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass die motornahe Anordnung der Turbine 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 hochbelastbaren Werkstoff fällt bei einer motornah angeordneten Turbine aufgrund des vergleichsweise hohen Materialeinsatz besonders deutlich aus.The use of aluminum would also be advantageous in terms of the weight of the turbine. In particular, when it is taken into account that the engine-near arrangement of the turbine leads to a relatively large-sized, voluminous housing. Because the connection of turbine and cylinder head by means of flange and screws requires due to the limited space a large turbine inlet area, also because sufficient space must be provided for the assembly tools. The voluminous housing brings a correspondingly high weight with it. The weight advantage of aluminum over a highly resilient material is particularly evident in a turbine arranged close to the engine due to the comparatively high use of materials.
Nach dem Stand der Technik werden Turbinen bereits mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, auch um die Verwendung von Aluminium für die Herstellung des Turbinengehäuses zu ermöglichen. Infolge der Kühlung der thermisch hoch belasteten Turbine kann auch auf Hitzebleche zum Schutz benachbarter Bauteile vor hohen Temperaturen verzichtet werden.In the prior art, turbines are already equipped with liquid cooling, also to allow the use of aluminum for the manufacture of the turbine housing. As a result of the cooling of the thermally highly loaded turbine can be dispensed with heat plates to protect adjacent components from high temperatures.
Zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung wird das Turbinengehäuse in der Regel mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet, wobei dieser Kühlmittelmantel über die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine mit Kühlmittel versorgt werden kann, beispielsweise indem ein im Zylinderkopf integrierter Kühlmittelmantel mit dem Kühlmittelmantel der Turbine verbunden wird. Eine flüssigkeitsgekühlte Turbine dieser Art wird beispielsweise in der
Die
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.Due to the high specific heat capacity of a liquid, in particular the water usually used, the housing by means of liquid cooling large amounts of heat can be withdrawn. The heat is released inside the housing to the coolant and removed with the coolant. The heat given off to the coolant is withdrawn from the coolant in a heat exchanger.
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.In principle, it is possible to equip the liquid cooling of the turbine with a separate heat exchanger or - in a liquid-cooled internal combustion engine - the heat exchanger of the engine cooling, d. H. to use the heat exchanger of another liquid cooling, for this purpose. The latter requires only appropriate connections of both circuits.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge 40 kW oder mehr betragen kann. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.However, it should be noted in this connection that the amount of heat absorbed by the coolant in the turbine can be 40 kW or more. The coolant to extract such a large amount of heat in the heat exchanger and dissipate by means of air flow to the environment turns out to be problematic.
Moderne Kraftfahrzeugantriebe werden zwar mit leistungsstarken Lüftermotoren ausgestattet, um den Wärmetauschern der Kühlsysteme auch im Stillstand, d. h. bei stehendem Kraftfahrzeug, oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten den für einen ausreichend hohen Wärmeübergang erforderlichen Luftmassenstrom bereitzustellen. Und derartige Lüfter können den Wärmeübergang in den Wärmetauschern grundsätzlich auch steigern. 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.Although modern motor vehicle drives are equipped with powerful fan motors to the heat exchangers of the cooling systems even at a standstill, d. H. to provide the air mass flow required for a sufficiently high heat transfer when the vehicle is stationary, or at low vehicle speeds. And such fans can basically increase the heat transfer in the heat exchangers. But another, relevant for the heat transfer parameters, namely the surface provided for the heat transfer, can not be made arbitrarily large or enlarged, since the space in the front-end area of the vehicle, where the various heat exchangers usually arranged be limited.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig – neben dem Wärmetauscher der Motorkühlung – über weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen.Modern motor vehicles often have - in addition to the heat exchanger of the engine cooling - on other heat exchangers, in particular cooling devices.
Auf der Ansaugseite einer Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler angeordnet, um die Dichte der Zylinderfrischladung zu steigern und zu einer besseren Füllung des mindestens einen Zylinders beizutragen. Üblicherweise werden aufgeladene Brennkraftmaschinen mit einem Ladeluftkühler ausgestattet.On the intake side of an internal combustion engine, a charge air cooler is often arranged in order to increase the density of the fresh cylinder charge and to contribute to a better filling of the at least one cylinder. Usually supercharged internal combustion engines are equipped with a charge air cooler.
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 werden muß.In order to maintain a maximum permissible oil temperature, the heat release via the oil sump as a result of heat conduction and natural convection often no longer suffices, so that in individual cases an oil cooler must be provided.
Moderne Brennkraftmaschinen werden darüber hinaus zunehmend mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet. Die Abgasrückführung ist eine Maßnahme, der Bildung von Stickoxiden, die einen Luftüberschuß und hohe Temperaturen erfordert, entgegen zu wirken, da die Abgasrückführung ein Mittel zur Senkung der Temperaturen darstellt.In addition, modern internal combustion engines are increasingly being equipped with exhaust gas recirculation (EGR). The exhaust gas recirculation is a measure to counteract the formation of nitrogen oxides, which requires an excess of air and high temperatures, as the exhaust gas recirculation is a means of lowering the temperatures.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten xAGR erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR = 50% bis 70% liegen können mit xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte und gegebenenfalls komprimierte Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates x EGR are required, which may be on the order of x AGR = 50% to 70% with x AGR = m EGR / (m EGR + m fresh air ), where m AGR is the Mass of recirculated exhaust gas and fresh air m denotes the supplied and optionally compressed fresh air or charge air.
Zur Realisierung dieser hohen Rückführraten ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, zwingend erforderlich, um die Dichte des rückgeführten Abgases zu steigern. Die Brennkraftmaschine ist daher mit einer zusätzlichen Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases auszustatten.To realize these high recirculation rates, cooling of the recirculated exhaust gas, ie compression of the exhaust gas by cooling, is absolutely necessary in order to reduce the density of the recirculated exhaust gas Increase exhaust gas. The internal combustion engine is therefore equipped with an additional cooling device for cooling the recirculating exhaust gas.
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.Other coolers can be provided, for example for cooling the transmission oil in automatic transmissions and / or for cooling hydraulic fluids, in particular hydraulic oil, which is used in the context of hydraulically actuated adjusting devices or for steering assistance. The air conditioning condenser of an air conditioning system is also a heat exchanger, which has to give off heat to the environment during operation, so requires a sufficiently high air flow and therefore is to be arranged in the front-end area.
Aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse im Front-End-Bereich und der Vielzahl an Wärmetauschern, kann der tatsächlich angeforderte Kühlbedarf jedes einzelnen Wärmetauschers nur begrenzt berücksichtigt werden. Die Dimensionierung und Anordnung der Wärmetauscher im Front-End-Bereich des Fahrzeuges, auch zueinander, erfordert nach dem Stand der Technik einen Kompromiß, da eine hinsichtlich des Wärmeübergangs optimierte Anordnung und Dimensionierung sämtlicher Wärmetauscher nicht möglich ist.Due to the very tight space conditions in the front-end area and the large number of heat exchangers, the actually required cooling demand of each individual heat exchanger can be taken into account only to a limited extent. The dimensioning and arrangement of the heat exchanger in the front-end region of the vehicle, also to each other, requires a compromise in the prior art, as an optimized in terms of heat transfer arrangement and dimensioning of all heat exchangers is not possible.
Die Möglichkeit, einen separaten und ausreichend großen Wärmetauscher für die Flüssigkeitskühlung der Turbine im Front-End-Bereich anzuordnen bzw. den Wärmetauscher der Motorkühlung einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine derart groß zu dimensionieren, dass über diesen zusätzlich die der Turbine entzogene Wärme abgeführt werden kann, ist nicht gegeben.The possibility of arranging a separate and sufficiently large heat exchanger for the liquid cooling of the turbine in the front-end region or to dimension the heat exchanger of the engine cooling of a liquid-cooled internal combustion engine so large that it can be dissipated via this additional heat extracted from the turbine, is not given.
Es sind daher andere Maßnahmen erforderlich, mit denen die im Rahmen der Kühlung der Turbine in das Kühlmittel eingetragene Wärmemenge dem Kühlmittel wieder entzogen werden kann, bzw. Konzepte aufzuzeigen, wie die Kühlung der Turbine zu gestalten ist, um derart große Wärmemengen zu bewältigen.Therefore, other measures are required with which the amount of heat introduced into the coolant as part of the cooling of the turbine can be withdrawn from the coolant, or to show concepts of how to design the cooling of the turbine in order to cope with such large amounts of heat.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, d. h. der gattungsbildenden Art, bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.Against the background of the above, it is an object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, d. H. of the generic type, which is optimized for cooling the turbine.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer Turbine, bei der
- – der mindestens eine Zylinderkopf mindestens einen Zylinder umfaßt, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, und
- – die mindestens eine ein Turbinengehäuse aufweisende Turbine zur Nutzung der Abgasenthalpie mit mindestens einer Abgasleitung verbunden ist, wobei das Turbinengehäuse zur Ausbildung einer Kühlung mit einem kühlmittelmantelähnlichen Hohlraum ausgestattet ist,
- – eine Dosiereinrichtung vorgesehen ist, die dem Einbringen von flüssigem Kühlmittel in den Hohlraum zum Zwecke der Verdampfung dient, wobei zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs eine Abführleitung zum Abführen des verdampften Kühlmittels aus dem Hohlraum und eine Rückführleitung zur Versorgung der Dosiereinrichtung mit dem erneut verflüssigten Kühlmittel vorgesehen sind.
- - The at least one cylinder head comprises at least one cylinder, each cylinder having at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder and connects to each outlet opening an exhaust pipe, and
- - The at least one turbine housing having a turbine for using the exhaust gas enthalpy is connected to at least one exhaust pipe, wherein the turbine housing is equipped to form a cooling with a coolant jacket-like cavity,
- - A metering device is provided which serves to introduce liquid coolant into the cavity for the purpose of evaporation, wherein for forming a coolant circuit, a discharge line for discharging the evaporated refrigerant from the cavity and a return line for supplying the metering device are provided with the re-liquefied coolant ,
Zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Kühlung wird das Turbinengehäuse mit einem kühlmittelmantelähnlichen Hohlraum ausgestattet, d. h. mit einem Hohlraum, der dem Kühlmittelmantel einer flüssigkeitsgekühlten Turbine ähnelt bzw. entspricht. In diesen Hohlraum wird mittels einer Dosiereinrichtung flüssiges Kühlmittel eingebracht. Das Kühlmittel verdampft und entzieht der Turbine bzw. dem Turbinengehäuse dabei Wärme. Eine Abführleitung und eine Rückführleitung dienen dazu, den Kühlmittelkreislauf zu schließen.To form the cooling according to the invention, the turbine housing is equipped with a coolant jacket-like cavity, d. H. with a cavity that resembles or corresponds to the coolant jacket of a liquid-cooled turbine. In this cavity, liquid coolant is introduced by means of a metering device. The coolant evaporates and removes heat from the turbine or the turbine housing. A discharge line and a return line serve to close the coolant circuit.
Erfindungsgemäß wird die mindestens eine Turbine nicht mit einer Flüssigkeitskühlung im herkömmlichen Sinne ausgestattet, sondern vielmehr mit einer Kühlung, die auf dem Prinzip der Verdampfung eines flüssigen Kühlmittels beruht.According to the invention, the at least one turbine is not equipped with a liquid cooling in the conventional sense, but rather with a cooling, which is based on the principle of evaporation of a liquid coolant.
Diese Vorgehensweise bei der Kühlung der Turbine hat gleich mehrere Vorteile, wobei sich die technischen Wirkungen ergänzen bzw. in vorteilhafter Weise zusammenwirken, d. h. es ergeben sich Synergien. Zum einen kann der Turbine – bei Einsatz einer vergleichsweise geringen Kühlmittelmenge – durch Verdampfung des Kühlmittels eine große Wärmemenge entzogen werden. Zum anderen läßt sich die dem dampfförmigen Kühlmittel immanente Enthalpie, nämlich die mittels Verdampfung in das Kühlmittel eingetragene Wärme, auf vielfältige Weise nutzen.This procedure in the cooling of the turbine has several advantages, with the technical effects complement each other or cooperate in an advantageous manner, d. H. There are synergies. On the one hand, by using a comparatively small amount of coolant, the turbine can be deprived of a large amount of heat by evaporating the coolant. On the other hand, the enthalpy inherent in the vaporous coolant, namely the heat introduced into the coolant by means of evaporation, can be utilized in a variety of ways.
Aus diesem Grund sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine besonders vorteilhaft, bei denen in der Abführleitung eine Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie des verdampften Kühlmittels vorgesehen ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärme nicht ungenutzt in einem Wärmetauscher an die Umgebung abgeführt.For this reason, embodiments of the internal combustion engine are particularly advantageous in which a device for using the enthalpy of the vaporized coolant is provided in the discharge line. In contrast to the state of the art, that in the turbine is replaced by the coolant absorbed heat not dissipated unused in a heat exchanger to the environment.
Vielmehr wird die in das Kühlmittel eingebrachte Wärme durch Druck- und/oder Temperaturabsenkung des verdampften Kühlmittels nutzbar gemacht und wieder verwendet, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert wird. Die damit zwangsläufig einhergehende Abnahme der Enthalpie kann zu einer erneuten Verflüssigung des dampfförmigen Kühlmittels führen bzw. beitragen, die auch gewollt ist bzw. erforderlich ist, um die Dosiereinrichtung in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf kontinuierlich mit flüssigem Kühlmittel zu versorgen.Rather, the introduced into the coolant heat is made available by pressure and / or temperature reduction of the vaporized coolant and used again, whereby the overall efficiency of the internal combustion engine is increased. The inevitably associated decrease in enthalpy can lead to or contribute to a renewed liquefaction of the vaporous coolant, which is also desired or required in order to supply the metering device in a closed coolant circuit continuously with liquid coolant.
Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Kühlung der Turbine optimiert ist.Thus, the first object of the invention is achieved, namely to provide an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, which is optimized with respect to the cooling of the turbine.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Turbine, die zur Nutzung der Abgasenthalpie mit mindestens einer Abgasleitung verbunden ist. Die Turbine kann Bestandteil eines Abgasturboladers sein, muß jedoch nicht zwingend Bestandteil eines Abgasturboladers sein.The internal combustion engine according to the invention has a turbine which is connected to at least one exhaust pipe to utilize the exhaust gas enthalpy. The turbine may be part of an exhaust gas turbocharger, but need not necessarily be part of an exhaust gas turbocharger.
Nichtsdestotrotz sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mit mindestens einer Abgasleitung verbundene Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist.Nevertheless, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the turbine connected to at least one exhaust pipe is the turbine of an exhaust gas turbocharger.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme gesteigert werden.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per cycle more air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the mean pressure p me can be increased.
Die Aufladung ist daher ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben. Der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird reduziert und der Wirkungsgrad verbessert.The charge is therefore a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads. The fuel consumption of the internal combustion engine is reduced and the efficiency is improved.
Bei einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet, wobei der heiße Abgasstrom mittels Abgasleitung 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 mittels Ansaugleitung zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine erreicht wird.In an exhaust gas turbocharger, a compressor and a turbine are arranged on the same shaft, wherein the hot exhaust gas flow is supplied to the turbine by means of exhaust pipe and relaxes with energy release in this turbine, whereby the shaft is rotated. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it by means of intake line, whereby charging of the internal combustion engine is achieved.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht 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 von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Energie der von der Brennkraftmaschine erzeugten heißen Abgase, d. h. die Abgasenthalpie.The advantage of an exhaust gas turbocharger, for example compared to a mechanical supercharger, is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy needed for its drive from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the energy of the hot exhaust gases generated by the internal combustion engine, d. H. the exhaust enthalpy.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Die Enthalpie des verdampften Kühlmittels kann auf vielfältige Weise genutzt werden, d. h. nutzbar gemacht werden, wobei die Rückgewinnung grundsätzlich auf einer Druck- und/oder Temperaturabsenkung des verdampften Kühlmittels beruht. Entsprechend unterschiedlich können die eingesetzten Vorrichtungen zur Nutzung der Kühlmittelenthalpie sein.The enthalpy of the vaporized coolant can be used in a variety of ways, i. H. be made available, the recovery is based in principle on a pressure and / or temperature reduction of the vaporized coolant. The devices used can be correspondingly different for the utilization of the enthalpy of the coolant.
Vorteilhaft sind beispielsweise Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Abführleitung eine Kolbenmaschine als Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie des verdampften Kühlmittels vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which a piston engine is provided in the discharge line as a device for utilizing the enthalpy of the evaporated coolant are advantageous, for example.
Vorteilhaft sind insbesondere aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Abführleitung eine Strömungsmaschine als Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie des verdampften Kühlmittels vorgesehen ist.However, embodiments of the internal combustion engine in which a turbomachine is provided in the discharge line as a device for using the enthalpy of the evaporated coolant are also particularly advantageous.
Sowohl die zuerst genannte Kolbenmaschine als auch die Strömungsmaschine sind Expansionsmaschinen, welche dem verdampften und in der Regel überhitzten Kühlmittel die Energie durch eine Druckabsenkung im Rahmen einer Expansion entziehen.Both the first-mentioned reciprocating engine and the turbomachine are expansion machines, which withdraw the energy from the vaporized and usually superheated coolant by a pressure reduction in the context of an expansion.
Beide Expansionsmaschinen sind dazu geeignet, die dem dampfförmigen Kühlmittel entzogene Energie für eine weitere Nutzung – beispielsweise an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder auch zum Antrieb von Nebenaggregaten – bereitzustellen. Damit verbessert sich die Energiebilanz bzw. der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Bei gleichem Kraftstoffeinsatz wird die Leistungs- bzw. Energieabgabe der Brennkraftmaschine erhöht. Eine Expansionsmaschine ist somit geeignet, die im Kühlmittel gebundene Energie zu nutzen, um die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine zu erhöhen.Both expansion machines are suitable for providing the energy extracted from the vaporous coolant for further use, for example at the crankshaft of the internal combustion engine or else for driving ancillary components. This improves the energy balance and the efficiency of the internal combustion engine. For the same fuel use, the power or energy output of the internal combustion engine is increased. An expansion machine is thus suitable for utilizing the energy bound in the coolant in order to increase the power output of the internal combustion engine.
Im Gegensatz zu einer Kolbenmaschine, welche – wie die Brennkraftmaschine selbst – intermittierend betrieben wird, d. h. in Takten arbeitet, und der das dampfförmige Kühlmittel portionsweise zugeführt wird, ist eine Strömungsmaschine durch eine kontinuierliche Arbeitsweise gekennzeichnet, bei der der Strömungsmaschine ununterbrochen dampfförmiges Kühlmittel zugeführt wird. In contrast to a piston engine, which - like the internal combustion engine itself - is operated intermittently, ie operates in cycles, and the vaporous refrigerant is supplied in portions, a turbomachine is characterized by a continuous operation, in which the continuous flow machine continuous vapor refrigerant is supplied.
Eine Strömungsmaschine weist infolge der kontinuierlichen Durchströmung einen höheren Wirkungsgrad auf als eine Kolbenmaschine.A turbomachine has a higher efficiency due to the continuous flow than a piston engine.
Es sei angemerkt, dass Expansionsmaschinen, die wie Kolbenmaschinen einen oder mehrere Kolben aufweisen, aber kontinuierlich durchströmt werden, im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht den Kolbenmaschinen, sondern vielmehr den Strömungsmaschinen zugeordnet werden. Ein Beispiel für eine derartige Expansionsmaschine ist ein Roots-Gebläse, das in der Regel über zwei Kolben verfügt und kontinuierlich durchströmt wird.It should be noted that expansion machines, such as piston engines having one or more pistons, but are continuously flowed through, are not assigned in the context of the present invention, the piston engines, but rather the turbomachines. An example of such an expansion machine is a Roots blower, which usually has two pistons and is continuously flowed through.
Ist die Vorrichtung zur Nutzung der Kühlmittelenthalpie eine Strömungsmaschine, sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Strömungsmaschine eine Dampfturbine ist.If the device for utilizing the coolant enthalpy is a turbomachine, in particular embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the turbomachine is a steam turbine.
Eine Turbine weist zum einen infolge der kontinuierlichen Durchströmung einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad auf. Zum anderen sind separat verbaubare Turbinen für den Kraftfahrzeugbau in vielfältiger Ausfertigung verfügbar. Zudem liegen ausreichend Erkenntnisse für den Einsatz solcher Expansionsmaschinen bei Brennkraftmaschinen vor.A turbine has on the one hand due to the continuous flow to a comparatively high efficiency. On the other hand, separately installable turbines are available in a variety of designs for motor vehicle construction. In addition, there are sufficient findings for the use of such expansion engines in internal combustion engines.
Darüber hinaus läßt sich die Welle einer Turbine in einfacher Weise mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zur Leistungsübertragung verbinden oder mit einem Zugmitteltrieb, welcher beispielsweise dem Antrieb von Nebenaggregaten dient, koppeln.In addition, the shaft of a turbine can be connected in a simple manner with the crankshaft of an internal combustion engine for power transmission or coupled with a traction mechanism, which serves for example for the drive of ancillaries.
Aus diesem Grund sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die als Vorrichtung zur Nutzung der Kühlmittelenthalpie dienende Turbine zur Leistungsabgabe mit der Kurbelwelle verbunden bzw. verbindbar ist, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Kupplung.For this reason, embodiments of the internal combustion engine are also advantageous in which the serving as a device for using the enthalpy of coolant turbine for power output is connected to the crankshaft or connectable, optionally with the interposition of a clutch.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Abführleitung ein Wärmetauscher als Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie des verdampften Kühlmittels vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which a heat exchanger is provided as a device for utilizing the enthalpy of the evaporated coolant in the discharge line are advantageous.
Im Gegensatz zu einer Expansionsmaschine entzieht der Wärmetauscher dem verdampften Kühlmittel die Energie durch Wärmeübertragung, was in erster Linie eine Temperaturabsenkung im Kühlmittel bewirkt und erst indirekt zu einer Druckabsenkung führt. Die dem Kühlmittel entzogene Wärme kann in eine andere Prozeßflüssigkeit eingetragen werden, beispielsweise nach einem Kaltstart in das Motoröl zur Verkürzung der Warmlaufphase, oder auch zur Erwärmung einer Luftströmung genutzt werden.In contrast to an expansion machine, the heat exchanger extracts the energy from the evaporated coolant by heat transfer, which primarily causes a drop in temperature in the coolant and only indirectly leads to a reduction in pressure. The heat removed from the coolant can be introduced into another process fluid, for example after a cold start in the engine oil to shorten the warm-up phase, or be used to heat an air flow.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kühlmittelkreislauf mit einem Kondensator ausgestattet ist, um das Kühlmittel zu verflüssigen.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the coolant circuit is equipped with a condenser to liquefy the coolant.
Die Tatsache, dass es sich bei der Kühlung der Turbine um einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf handelt und die Versorgung der Dosiereinrichtung mit flüssigem Kühlmittel eine restlose Verflüssigung des verdampften Kühlmittels stromaufwärts der Dosiereinrichtung notwendig macht, kann im Einzelfall die Ausstattung des Kühlmittelkreislauf mit einem Kondensator erforderlich machen.The fact that it is in the cooling of the turbine to a closed coolant circuit and the supply of the metering device with liquid coolant makes a complete liquefaction of the vaporized coolant upstream of the metering necessary, may require the equipment of the coolant circuit with a capacitor in an individual case.
Ein Kondensator ist schon deshalb immer dann erforderlich, wenn die Druck- und/oder Temperaturabsenkung des Kühlmittels in der Vorrichtung zur Nutzung der Kühlmittelenthalpie nicht ausreichend groß ist, um das dampfförmige Kühlmittel vollständig zu verflüssigen bzw. um sicherzustellen, dass das Kühlmittel bei Eintritt in die Dosiereinrichtung in flüssiger Phase vorliegt.A condenser is therefore always required when the pressure and / or temperature drop of the coolant in the device for utilizing the enthalpy of the coolant is not sufficiently large to completely liquefy the vaporous coolant or to ensure that the coolant entering the Metering device is present in the liquid phase.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass es nachteilig sein kann, das verdampfte Kühlmittel – auch nur teilweise – in der Expansionsmaschine zu verflüssigen. Geht das dampfförmige Kühlmittel wieder in den flüssigen Aggregatszustand über, verkleinert sich sein Volumen schlagartig, was zu hohen mechanischen Beanspruchungen der Kolbenmaschine bzw. der Turbine führen kann, gegebenenfalls irreparable Schäden hervorruft und zur Zerstörung der Expansionsmaschine führt.It should be noted in this context that it may be disadvantageous to liquefy the vaporized coolant - even partially - in the expansion machine. If the vaporous coolant returns to the liquid state of aggregation, its volume decreases abruptly, which can lead to high mechanical stresses on the piston engine or the turbine, possibly causing irreparable damage and leading to the destruction of the expansion engine.
Insofern kann es vorteilhaft sein, wenn das verdampfte überhitzte Kühlmittel die Expansionsmaschine im Wesentlichen noch dampfförmig verläßt und der stromabwärts in der Rückführleitung angeordnete Kondensator das Kühlmittel vor Eintritt in die Dosiereinrichtung wieder in die flüssige Phase überführt.In this respect, it may be advantageous for the vaporized superheated coolant to leave the expansion machine essentially in vapor form and for the condenser arranged downstream in the return line to return the coolant to the liquid phase before it enters the metering device.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Dosiereinrichtung eine Einspritzvorrichtung umfaßt. Das Einbringen des Kraftstoffes mittels Einspritzung ist überaus vorteilhaft. Der flüssige Kraftstoff wird im Rahmen der Einspritzung und in Abhängigkeit vom Einspritzdruck mehr oder weniger fein zerstäubt, wodurch ein Kühlmittelnebel ausgebildet und die Oberfläche des Kühlmittels stark vergrößert wird. Die Kühlmitteltröpfchen verdampfen bei Kontakt mit den Innenwandungen des Hohlraums zumindest teilweise. Die Verdampfungswärme wird dabei dem Turbinengehäuse entzogen und die Gehäusetemperatur sinkt.Embodiments of the internal combustion engine in which the metering device comprises an injection device are advantageous. The introduction of the fuel by means of injection is extremely advantageous. The liquid fuel is more or less finely atomized as part of the injection and in dependence on the injection pressure, whereby a coolant mist is formed and the surface of the coolant is greatly increased. The coolant droplets evaporate on contact with the inner walls the cavity at least partially. The heat of vaporization is removed from the turbine housing and the housing temperature drops.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Einspritzvorrichtung mindestens eine Einspritzdüse aufweist.In this context, embodiments of the internal combustion engine in which the injection device has at least one injection nozzle are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse zumindest teilweise aus Aluminium gefertigt ist. Dies bringt gegenüber der Verwendung üblicher Werkstoffe Kostenvorteile mit sich. Darüber hinaus führt der Einsatz von Aluminium zur Herstellung des Turbinengehäuses zu einem geringeren Gewicht.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine housing is at least partially made of aluminum are advantageous. This brings cost benefits compared to the use of conventional materials. In addition, the use of aluminum for the manufacture of the turbine housing leads to a lower weight.
Aufgrund der hohen Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühlung kann auf die Verwendung thermisch hochbelastbarer Werkstoffe zur Herstellung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden. Der Einsatz kostenintensiver – häufig nickelhaltiger – Werkstoffe ist erfindungsgemäß nicht mehr erforderlich bzw. stark reduziert.Due to the high cooling capacity of the cooling according to the invention can be completely or at least partially dispensed with the use of thermally highly resilient materials for the production of the turbine or the turbine housing. The use of cost-intensive - often nickel-containing - materials according to the invention is no longer necessary or greatly reduced.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Turbinengehäuse ein Gußteil ist, d. h. der Rohling des Gehäuses, der gegebenenfalls nachzubearbeiten ist. Diese Fertigung des Gehäuses ermöglicht das Ausbilden eines vorteilhaften Hohlraums.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the turbine housing is a casting, d. H. the blank of the housing, which is optionally nachzubearbeiten. This manufacture of the housing allows the formation of an advantageous cavity.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen integrierten Kühlmittelmantel aufweist.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one cylinder head has at least one integrated coolant jacket to form a liquid cooling are advantageous.
Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel 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 in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.The liquid cooling requires the equipment of the cylinder head with a coolant jacket, d. H. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels. The heat is already released inside the cylinder head to the coolant. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat given off to the coolant is withdrawn from the coolant in a heat exchanger.
Mit einer Flüssigkeitskühlung können gegenüber einer Luftkühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden. Bei entsprechender Auslegung der Flüssigkeitskühlung bzw. entsprechender Kühlleistung kann der Zylinderkopf unter Umständen vollständig oder zumindest in Teilen aus Aluminium gefertigt werden, was gegenüber der Verwendung von hochtemperaturfestem austenitischem Stahl Kostenvorteile mit sich bringt. Der Einsatz von Aluminium zur Herstellung des Zylinderkopfes führt darüber hinaus zu einer Gewichtsersparnis.With a liquid cooling can be dissipated compared to an air cooling much larger amounts of heat. With appropriate design of the liquid cooling or corresponding cooling performance of the cylinder head may under certain circumstances be made entirely or at least in parts of aluminum, which brings cost advantages over the use of high-temperature austenitic steel. The use of aluminum for the production of the cylinder head also leads to a weight saving.
Die Flüssigkeitskühlung des Zylinderkopfes eignet sich insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, die aufgrund der höheren Abgastemperaturen eine effiziente und optimierte Kühlung erfordern.The liquid cooling of the cylinder head is particularly suitable for supercharged internal combustion engines, which require efficient and optimized cooling due to the higher exhaust gas temperatures.
Zudem verhindert eine effiziente Flüssigkeitskühlung die thermische Überlastung der Brennkraftmaschine, ohne dass eine Anfettung (λ < 1) erforderlich ist, um die Abgastemperaturen zu senken. Bei einer Anfettung wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann. Der überschüssige Kraftstoff wird ebenfalls erwärmt und verdampft, wodurch die Temperatur der Verbrennungsgase gesenkt wird. Diese Vorgehensweise ist hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und hinsichtlich der Schadstoffemissionen nachteilig. Die Anfettung gestattet es zudem nicht immer, die Brennkraftmaschine in der Weise zu betreiben, wie es beispielsweise für ein Abgasnachbehandlungssystem erforderlich wäre.In addition, an efficient liquid cooling prevents the thermal overload of the internal combustion engine, without a richening (λ <1) is required to lower the exhaust gas temperatures. When enriched, more fuel is injected than can be burned at all with the amount of air provided. The excess fuel is also heated and vaporized, thereby lowering the temperature of the combustion gases. This approach is disadvantageous in terms of fuel consumption and pollutant emissions. In addition, the enrichment does not always allow the internal combustion engine to be operated in the manner required, for example, for an exhaust aftertreatment system.
Die Flüssigkeitskühlung gestattet den stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) eines Ottomotors auch bei hohen Lasten.The liquid cooling allows the stoichiometric operation (λ ≈ 1) of a gasoline engine even at high loads.
Bei der in Rede stehenden Ausführungsform, d. h. einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, kann darüber hinaus die Kühlung der Turbine via Motorkühlung mit Kühlmittel versorgt werden.In the embodiment in question, d. H. a liquid-cooled internal combustion engine, in addition, the cooling of the turbine via engine cooling can be supplied with coolant.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Flüssigkeitskühlung in Verbindung steht mit dem Kühlmittelkreislauf des Turbinengehäuses.Therefore, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the liquid cooling is in communication with the coolant circuit of the turbine housing.
Der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel kann beispielsweise mit dem kühlmittelmantelähnlichen Hohlraum der Turbine verbunden werden, wobei die aus dem Hohlraum kommende Abführleitung zum Zylinderkopf führt und die Rückführleitung aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes abzweigt und mit der Dosiereinrichtung verbunden ist, um diese mit flüssigem Kühlmittel zu versorgen. Auf weitere Kühlmittelleitungen kann verzichtet werden.The integrated in the cylinder head coolant jacket can be connected, for example, with the coolant jacket-like cavity of the turbine, the coming out of the cavity discharge line leads to the cylinder head and the return line branches off from the coolant jacket of the cylinder head and connected to the metering device to supply them with liquid coolant. On further coolant lines can be dispensed with.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist. 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 vorteilhaft ist.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases from the cylinder. During the expulsion of the exhaust gases in the context of the charge exchange, it is a primary goal, as quickly as possible to release the largest possible flow cross-sections, to ensure effective discharge of the exhaust gases, which is why the provision of more than one outlet opening is advantageous.
Aus ähnlichen Gründen ist es vorteilhaft, zwei oder mehr Einlaßöffnungen vorzusehen, um die Drosselverluste in den einströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch zu gewährleisten. For similar reasons, it is advantageous to provide two or more inlet openings to keep the throttle losses in the inflowing gas flows low and to ensure the best possible filling of the combustion chamber with fresh mixture.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Zylinderkopfes sein, bei denen jeder Zylinder nur eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.But can also be advantageous embodiments of the cylinder head, in which each cylinder has only one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder.
Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Vorteile ergeben sich insbesondere hinsichtlich einer motornahen Anordnung der Turbine.In internal combustion engines having at least two cylinders, embodiments are advantageous in which the exhaust gas lines of at least two cylinders bring together at least one integrated exhaust manifold within the cylinder head to form an overall exhaust gas line. Advantages arise in particular with regard to a motor-near arrangement of the turbine.
Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch 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 die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt höher ist, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist und gegebenenfalls stromabwärts der Turbine vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme schneller eine erforderliche Betriebstemperatur erreichen.The length of the exhaust pipes is reduced by integration into the cylinder head. On the one hand thereby the line volume, d. H. the exhaust volume of the exhaust pipes, upstream of the turbine reduced, so that the response of the turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases at the turbine inlet is higher, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the inlet of the turbine is higher and optionally provided downstream of the turbine exhaust aftertreatment faster reach required operating temperature.
Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinders gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit.The merging of the exhaust pipes within the cylinder also allows tight packaging of the drive unit.
Verfügen die mindestens zwei Zylinder einer Brennkraftmaschine über zwei oder mehr Auslaßöffnungen, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.If the at least two cylinders of an internal combustion engine have two or more outlet openings, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which first the exhaust lines of the at least two outlet openings of each cylinder merge to form a partial exhaust line belonging to the cylinder before the partial exhaust lines of at least two cylinders combine to form an overall exhaust line.
Die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen wird hierdurch verkürzt. Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zudem zu einer kompakteren, d. h. weniger voluminösen Bauweise des Zylinderkopfes und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.The total travel distance of all exhaust pipes is thereby shortened. The gradual merging of the exhaust pipes to an overall exhaust line also contributes to a more compact, d. H. less voluminous design of the cylinder head and thus in particular to a weight reduction and a more effective packaging in the engine compartment.
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 Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.The turbine can be equipped with a variable turbine geometry, which allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. In this case, guide vanes for influencing the flow direction are arranged in the inlet region of the turbine. Unlike the vanes of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the 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.If the turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary, but also completely immovable in the entry area, i. H. rigidly fixed. If, on the other hand, a turbine with variable geometry is used, the guide vanes are indeed arranged stationary, but not completely immobile, but rotatable about their axis, so that the flow of the blades can be influenced.
Vorteilhaft sind sowohl Ausführungsformen, bei denen die Turbine eine Axialturbine ist, als auch Ausführungsformen, bei denen die Turbine eine Radialturbine ist.Both embodiments in which the turbine is an axial turbine and also embodiments in which the turbine is a radial turbine are advantageous.
Die Turbine kann auch eine zweiflutige Turbine sein. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen auf, wobei zwei Abgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Abgasleitung in einen Eintrittskanal mündet.The turbine can also be a twin-flow turbine. A double-flow turbine has an inlet region with two inlet channels, wherein two exhaust gas lines are connected to the twin-flow turbine in such a way that in each case an exhaust pipe opens into an inlet channel.
Die zweite Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einer der vorstehend genannten Arten aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – flüssiges Kühlmittel mittels Dosiereinrichtung in den Hohlraum eingebracht wird,
- – das eingebrachte Kühlmittel verdampft wird, wodurch dem Turbinengehäuse Wärme entzogen wird, und
- – das verdampfte Kühlmittel via Abführleitung abgeführt wird.
- - Liquid coolant is introduced by means of metering device in the cavity,
- - The introduced coolant is evaporated, whereby the turbine housing heat is removed, and
- - The vaporized coolant is discharged via the discharge line.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why reference is generally made at this point to the statements made above with regard to the internal combustion engine.
Entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine ergeben sich unterschiedliche Verfahrensvarianten.According to the different embodiments of the internal combustion engine, different process variants result.
Vorteilhaft sind insbesondere Verfahrensvarianten, bei denen die Enthalpie des verdampften Kühlmittels mittels einer in der Abführleitung vorgesehenen Vorrichtung genutzt wird. Die im Rahmen der Kühlung entzogene Wärme wird gewissermaßen als Temperatur- und Druckerhöhung im Kühlmittel gespeichert. Die Vorrichtung dient der Rückgewinnung dieser in das Kühlmittel eingetragenen Energie.Process variants in which the enthalpy of the evaporated coolant is used by means of a device provided in the discharge line are particularly advantageous. The heat extracted as part of the cooling is effectively called Temperature and pressure increase stored in the coolant. The device serves to recover this energy introduced into the coolant.
Vorteilhaft sind insbesondere auch Verfahrensvarianten, bei denen das flüssige Kühlmittel durch Einspritzen in den Hohlraum eingebracht wird.Also particularly advantageous are process variants in which the liquid coolant is introduced by injection into the cavity.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ein Kühlmittel verwendet wird, das sich durch eine hohe Verdampfungsenthalpie auszeichnet.Advantageous are process variants in which a coolant is used, which is characterized by a high enthalpy of vaporization.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen gemäß den
Die Brennkraftmaschine
Stromabwärts des Verdichters
Die Turbine
Die Kühlung
Zur Nutzung der Enthalpie des verdampften Kühlmittels ist in der Abführleitung
Die Turbine
Stromabwärts der Turbine
Im Unterschied zu der in
Wie die Dampfturbine der in
Im Unterschied zu der in
Im Gegensatz zu einer Expansionsmaschine nutzt der Wärmetauscher
Ein Kondensator zur Verflüssigung ist nicht erforderlich, da das Kühlmittel vollständig, d. h. restlos, im Wärmetauscher
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Zylinderkopfcylinder head
- 33
- Zylindercylinder
- 44
- Ansaugleitungsuction
- 55
- Abgasleitungexhaust pipe
- 66
- Abgasturboladerturbocharger
- 6a6a
- Turbineturbine
- 6b6b
- Verdichtercompressor
- 77
- LadeluftkühlerIntercooler
- 88th
- Turbinengehäuseturbine housing
- 99
- Turbinenkühlungturbine cooling
- 1010
- KühlmittelkreislaufCoolant circuit
- 1111
- Dosiereinrichtungmetering
- 1212
- Abführleitungdischarge
- 1313
- RückführleitungReturn line
- 1414
- Vorrichtung zur Nutzung der Enthalpie des verdampften KühlmittelsDevice for using the enthalpy of the vaporized coolant
- 1515
- Expansionsmaschineexpander
- 1616
- Kolbenmaschinepiston engine
- 1717
- Dampfturbinesteam turbine
- 1818
- Kondensatorcapacitor
- 1919
- Wärmetauscherheat exchangers
- kWkW
- Kilowattkilowatt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 3948052 A [0014] US Pat. No. 3,944,052 A [0014]
- EP 1384857 A2 [0015] EP 1384857 A2 [0015]
Claims (14)
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