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Dokumentenidentifikation DE102005048561A1 12.04.2007
Titel Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Unger, Harald, Dr., 85774 Unterföhring, DE;
Schwarz, Christian, Dr., 81245 München, DE;
Fahl, Thomas, 80802 München, DE
DE-Anmeldedatum 11.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048561
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F02F 1/42(2006.01)A, F, I, 20051011, B, H, DE
Zusammenfassung Zylinderkopf (1) für eine Reihen-Brennkraftmaschine (2) mit einer Brennkraftmaschinenlängsachse und mit einer Frischgaseinlassgeometrie in einer Einlassseite (3) des Zylinderkopfes (1), an die eine Sauganlage (4) angeordnet ist, und einer Abgasauslassgeometrie in einer Auslassseite (5) des Zylinderkopfes (1), an die eine Abgasanlage (6) angeordnet ist, wobei an die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) zumindest ein die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) verbindender Abgasturbolader (7) angeordnet ist, wobei die Frischgaseinlassgeometrie und die Abgasauslassgeometrie zueinander gespiegelt sind und wobei die Reihen-Brennkraftmaschine (2) um die Brennkraftmaschinenlängsachse gedreht in ein Kraftfahrzeug einbaubar ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein und diegleiche Grundbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf ausgerüstet werden, der entweder für Saugbetrieb oder Turbobetrieb ausgelegt ist und platzsparend in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zum technischen Umfeld wird auf die zwei Fachaufsätze "Die neue FSI-Technologie von AUDI und ihre Anwendung im neuen AUDI 2,0I-4V FSI-Motor" und "Der neue Audi 2,0T FSI Motor – Der erste direkt einspritzende Turbo-Ottomotor bei Audi", veröffentlicht auf dem 25. Internationalen Wiener Motorensymposium 2004, hingewiesen.

In dem Fachartikel "Die neue FSI-Technologie von AUDI und ihre Anwendung im neuen AUDI 2,0I-4V FSI-Motor", von dem auch die vorliegende Erfindung ausgeht, ist der neue 2,0I-4V FSI Motor als der erste Repräsentant einer neuen Motorengeneration von Audi beschrieben.

In dem weiteren Fachaufsatz: "Der neue Audi 2,0T FSI Motor- Der erste direkteinspritzende Turbo-Ottomotor bei Audi", ist eine weitere Ausführungsvariante dieser neuen Motorengeneration beschrieben. In diesem Fachaufsatz wird weiter erläutert, dass der prinzipiell gleiche Grundmotor auch für Turbobetrieb verwendet werden kann.

Weiter ist allgemein bekannt, dass der Einbau von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen, speziell bei längs eingebauten Reihen-Brennkraftmaschinen, in der Regel zur Seite geneigt, d.h. um die Brennkraftmaschinen-Längsachse gedreht, erfolgt. Dabei wird der Neigungswinkel und die Seite, zu der geneigt wird, nach einer Package-Optimierung bezüglich Brennkraftmaschinenraum, bzw. Motorraum im Fahrzeug und Brennkraftmaschinengröße ausgewählt. Brennkraftmaschinen mit Saugbetrieb werden üblicherweise zur Abgasseite geneigt, um möglichst viel Platz für eine optimierte Ansauganlage zu schaffen, insbesondere mit langen Ansaugwegen und Schaltklappen zur drehzahlabhängigen Umschaltung der Saugrohrlängen um über ein möglichst großes Drehzahlband möglichst viel Leistung und Drehmoment zu erzielen. Wird innerhalb der gleichen Brennkraftmaschinenfamilie eine Turbobrennkraftmaschine entwickelt, wird dabei in der Regel um Kosten zu sparen die Einbaulage der Saugbrennkraftmaschine übernommen, mit dem Ziel, das Kurbelgehäuse, die Ölwanne, die Ölpumpe, die Ölrückläufe usw. konzeptionell ähnlich oder sogar in Gleichteilen übernehmen zu können.

Für eine Turbobrennkraftmaschine ist aber die von der Saugbrennkraftmaschine abgeleitete Einbaulage denkbar ungünstig. Auf der Saugseite wird bei Turbobetrieb relativ wenig Platz benötigt, da nur kurze Saugwege und keine Schaltklappen benötigt werden. Demgegenüber besteht auf der Abgasseite ein erheblicher Package-Zusatzbedarf für den oder die Abgasturbolader und die Wastegates. Außerdem ist die Lage der Abgasturbolader bezüglich Ölrücklauf aus der Lagerschmierung denkbar ungünstig aufgrund der geringen geodätischen Höhe. Abgasturbolader für mittlere Leistungsanforderungen sind teilweise noch im vorhandenen Package einer Brennkraftmaschine mit Saubetrieb unterzubringen. Abgasturbolader für hohe oder sehr hohe Leistungsanforderungen, vor allem wenn eine mehrstufige oder parallele Aufladung erforderlich ist, sind teilweise überhaupt nicht mehr im Package darstellbar. Das Package-Problem wird durch den Bedarf einer möglichst motornahen Abgasnachbehandlung zur sicheren Erfüllung von Emissionsvorschriften in Form von motornahen Katalysatoren nochmals weiter verschärft.

Um dieses Package-Problem zwischen Saugbrennkraftmaschine und Turbobrennkraftmaschine zu umgehen, müsste die Einbauneigung der Brennkraftmaschine geändert werden, was zu einem erheblichen Zusatzaufwand führen würde, da die meisten Teile der Grundbrennkraftmaschine, wie das Kurbelgehäuse, die Ölwanne, die Ölpumpe, die Ölrückläufe usw. neu entwickelt werden müssten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen mit der es möglich ist, die gleiche Grundbrennkraftmaschine sowohl für Saug- als auch für Turbobetrieb einzusetzen, ohne Package-Nachteile zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass an die Sauganlage und an die Abgasanlage zumindest ein die Sauganlage und die Abgasanlage verbindender Abgasturbolader angeordnet ist und die Frischgaseinlassgeometrie und die Abgasauslassgeometrie des Zylinderkopfes zueinander gespiegelt sind und die Reihen-Brennkraftmaschine um Ihre Brennkraftmaschinenlängsachse gedreht in das Kraftfahrzeug einbaubar ist.

Durch diese Maßnahme bleibt die Grundbrennkraftmaschine, d. h. alle Bauteile unterhalb der Zylinderkopfdichtung sowohl bei der Saugbrennkraftmaschine als auch bei der Turbobrennkraftmaschine konzeptionell oder mit Gleichteilen gleich. Ebenso bleibt die Einbaulage unverändert. Für die Turbobrennkraftmaschine wird der Zylinderkopf gegenüber der Saugbrennkraftmaschine gespiegelt, d. h. die Frischgaseinlassgeometrie bzw. die Frischgaseinlasskanäle sowie die Abgasauslassgeometrie bzw. die Abgasauslasskanäle werden gespiegelt. Somit werden die Package-Vorteile bei gleicher Einbaulage und gleichem Grundmotor optimal genutzt, dies bedeutet einerseits viel Platz für die Sauganlage bei der Saugbrennkraftmaschine und andererseits viel Platz für die Aufladeeinheit mit einer Abgasnachbehandlung sowie einer optimalen Lage, d. h. geodätisch hohen Lage bezüglich des Ölablaufes bei der Turbobrennkraftmaschine. Zusätzlich ist eine gute Kühlung des Abgasturboladers durch eine geeignete Luftführung möglich.

Unter gespiegelt wird eine Flächenspiegelung verstanden, die im Idealfall, wenn auch die Kühl- und Schmierkanäle symmetrisch sind, eine Spiegelung um eine Ebene, die von der Brennkraftmaschinenlängsachse und der Brennkraftmaschinenhochachse aufgespannt wird und die sich durch die Brennraummitte entlang der Brennkraftmaschinenlängsachse erstreckt, ist. Da normalerweise Kühl- und Schmiermittelkanäle einlass- und auslassseitig nicht symmetrisch im Zylinderkopf angeordnet sind, handelt es sich bei der Flächenspiegelung im Normalfall um eine Spiegelung um eine Fläche, die sich weitgehend im Bereich der Ebene erstreckt, d. h. die Fläche muss nicht zwangsläufig eben sein.

Ein Abgasturbolader besteht aus einer in der Abgasanlage angeordneten Turbine und einem über eine Welle fest mit der Turbine verbundenen Verdichter. Da die Sauganlage typischer Weise aus thermischen Gründen nicht direkt an die Abgasanlage angeordnet ist, wird unter Sauganlage auch die Luftführung von der Turbine zu der saugseitig angeordneten Sauganlage verstanden. In dieser Luftführung kann selbstverständlich auch ein Ladeluftkühler angeordnet sein, um die verdichtete Frischluft vor der Verbrennung abzukühlen und somit den Füllgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist sowohl eine Stufen- aus auch eine parallele Abgasturboaufladung möglich. Unter Stufenaufladung wird die serielle Aufladung mit einer Niederdruckturbine und einer Hochdruckturbine verstanden. Unter paralleler Aufladung wird die Zuordnung von zumindest zwei Abgasturboladern zu zumindest zwei Zylindern oder Zylindergruppen verstanden, bei einstufiger Aufladung.

Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung anhand zweier Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine konventionelle Brennkraftmaschine für einen Saugbetrieb,

2 zeigt die gleiche Grundbrennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf für einen Turbobetrieb.

In den 1 und 2, in denen für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen gelten, ist jeweils die gleiche Grundbrennkraftmaschine dargestellt. Unter Grundbrennkraftmaschine werden hier im Wesentlichen alle Bauteile geodätisch unterhalb einer Zylinderkopfdichtung betrachtet, d.h. im Wesentlichen das gesamte Kurbelgehäuse samt der Ölwanne und Anbauteilen. Die Trennebene, in der die Zylinderkopfdichtung angeordnet ist und die den Zylinderkopf von der Grundbrennkraftmaschine trennt, ist mit ZKD bezeichnet.

In 1 ist die Aufsicht auf eine konventionelle Brennkraftmaschine für Saugbetrieb dargestellt. Die Brennkraftmaschine besteht im Wesentlichen aus einem Zylinderkopf 1, mit einer Einlassseite 3 mit einer Auslassseite 5. Einlassseite 3 und Auslassseite 5 sind jeweils durch einen Pfeil markiert. An die Einlassseite 3 ist eine Sauganlage 4 montiert, an die Auslassseite 5 ist eine Abgasanlage 6 montiert. Die Brennkraftmaschine 2 ist um eine Brennkraftmaschinenlängsachse 2' geneigt in ein Kraftfahrzeugzeug einbaubar. Bei dieser Einbaulage werden insbesondere die o. g. Package-Vorteile erzielt.

In 2 ist die gleiche Aufsicht auf die gleiche Grundbrennkraftmaschine 2 nochmals dargestellt. Auf der gleichen Grundbrennkraftmaschine ist jedoch ein Zylinderkopf 1 für Turbobetrieb montiert. Ein Abgasturbolader 7 verbindet die Abgasanlage 6 über eine nicht erkennbare Luftführung mit der Sauganlage 4. Um die o. g. Package-Vorteile bei gleicher Einbaulage der gleichen Grundbrennkraftmaschine optimal zu nutzen, sind erfindungsgemäß die Frischgaseinlassgeometrie, d. h. die Frischgaseinlasskanäle, in der Einlassseite 3 des Zylinderkopfes 1 und die Abgasauslassgeometrie, d. h. die Abgasauslasskanäle, in der Auslassseite des Zylinderkopfes 1 zueinander gespiegelt ausgeformt. Die Frischgaseinlasskanäle und die Abgasauslasskanäle werden einerseits von einem Brennraum, bzw. den Gaswechselventilen begrenzt und erstrecken sich im Zylinderkopf 1 bis in die Flanschebene von Saug- und Abgasanlage 4, 6. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind Abgasturbolader 7 sowohl für mittlere Leistungsanforderungen als auch für sehr hohe Leistungsanforderungen sowie auch für eine mehrstufige oder parallele Aufladung problemlos im Package darstellbar. Auch das Problem einer möglichst motornahen Abgasnachbehandlung zur sicheren Erfüllung der Emissionsvorschriften in Form von motornahen Katalysatoren ist bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden alle Package-Vorteile bei gleicher Einbaulage und gleicher Grundbrennkraftmaschine optimal genutzt, d. h. viel Platz für die Sauganlage für eine Brennkraftmaschine im Saugbetrieb und viel Platz für die Aufladeeinheit samt einer Abgasnachbehandlung und einer optimalen Lage bezüglich des Ölablaufs des Turboladers im Falle einer Brennkraftmaschine für Turbobetrieb.

1
Zylinderkopf
2
Reihenbrennkraftmaschine
2'
Brennkraftmaschinenlängsachse
3
Einlassseite
4
Sauganlage
5
Auslassseite
6
Abgasanlage
7
Abgasturbolader


Anspruch[de]
Zylinderkopf (1) für eine Reihen-Brennkraftmaschine (2) mit einer Brennkraftmaschinenlängsachse (2'), mit einer Frischgaseinlassgeometrie in einer Einlassseite (3) des Zylinderkopfes (1), an die eine Sauganlage (4) angeordnet ist und einer Abgasauslassgeometrie in einer Auslassseite (5) des Zylinderkopfes (1), an die eine Abgasanlage (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

– an die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) zumindest ein die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) verbindender Abgasturbolader (7) angeordnet ist, wobei

– die Frischgaseinlassgeometrie und die Abgasauslassgeometrie zueinander gespiegelt sind und wobei

– die Reihenbrennkraftmaschine (2) um die Brennkraftmaschinenlängsachse (2') gedreht in ein Kraftfahrzeug einbaubar ist.
Zylinderkopf nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) zwei die Sauganlage (4) und die Abgasanlage (6) verbindende Abgasturbolader (7) angeordnet sind.






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