具有液體冷卻式渦輪機的內燃機和用于冷卻渦輪機的方法

專利名稱：具有液體冷卻式渦輪機的內燃機和用于冷卻渦輪機的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有至少一個液體冷卻式渦輪機的內燃機，其中具有渦輪機殼體的所述渦輪機具有整合在所述殼體中的至少一個冷卻套以便形成液體冷卻布置。本發明也涉及一種用于冷卻所述內燃機的所述至少一個渦輪機的方法。
背景技術：
內燃機常常設有一個渦輪機或多個渦輪機。這樣做可能有各種原因。通常，為了壓縮在進氣側的增壓空氣，設法在廢氣渦輪增壓的背景下借助于渦輪機而利用熱廢氣的廢氣焓。例如EP 1640596B1公開了一種所述類型的內燃機，其中可以借助于串聯布置的兩個廢氣渦輪增壓器執行增壓空氣的兩級壓縮，或者取決于廢氣流速，也可以借助于具有不同尺寸的兩個增壓器中的一個執行單級壓縮。在至少一個渦輪機的下游，如果適用的話，廢氣然后被引導通過一個或多個廢氣后處理系統。渦輪機的生產成本是比較高的，原因是用于高熱負荷渦輪機殼體的、經常包含鎳的材料昂貴，尤其與優選地用于氣缸蓋的材料(例如鋁)相比。不僅材料本身的成本高，而且用于渦輪機殼體的所述材料的加工成本也高。所以如果可以由更廉價的材料(例如鋁)生產渦輪機，則在成本方面將是極其有利的。鋁的使用在渦輪機的重量方面也將是有利的。的確如此，尤其是考慮到基本上需要的靠近發動機的渦輪機的布置導致相對而言尺寸較大的、大體積殼體，原因在于因為受限制的空間條件的緣故借助于凸緣和螺栓連接渦輪機和氣缸蓋需要大的渦輪機進氣區域，原因也在于必須為組裝工具提供足夠的空間。大體積殼體與相應的高重量相關聯。因此，在渦輪機靠近發動機布置的情況下，由于相對高的材料的使用，所以鋁優于能承受較高熱負荷的材料的重量優點是特別明顯的。為了能夠使用更廉價的材料生產渦輪機，根據現有技術，渦輪機設有冷卻布置，例如液體冷卻布置，所述冷卻布置顯著減小了由熱廢氣產生的渦輪機和渦輪機殼體的熱負荷并且因此允許使用能承受較低熱負荷的材料。通常，渦輪機殼體設有至少一個冷卻套以便形成冷卻布置。現有技術公開了兩種構思，在一種構思中殼體是鑄件并且冷卻套在鑄造工藝期間形成為整體殼體的一體組成部分，在另一種構思中殼體是模塊化結構，其中用作冷卻套的腔在組裝期間形成。例如在已公開的德國申請DE 102008011257A1中描述了根據后一個構思設計的渦輪機。通過為實際渦輪機殼體提供外罩，使得在殼體和與殼體間隔開布置的至少一個外罩構件之間形成冷卻劑可以引入其中的腔，從而形成渦輪機的液體冷卻布置。由外罩擴展的殼體于是包括冷卻套，由于該原因，在本發明的背景下，所述殼體也被認為是渦輪機的殼體。EP 1384857A2類似地公開了一種渦輪機，所述渦輪機的殼體設有冷卻套，所述冷卻套裝有海水。渦輪機殼體是以單件形式形成的鑄件。
由于常規地用作冷卻劑的水的高比熱容，借助于液體冷卻可以從殼體去除大量的熱。熱被消散到殼體的內部中的冷卻劑并且隨著冷卻劑被排出。熱隨后在熱交換器中再次從冷卻劑被去除。基本上有可能的情況是，渦輪機的液體冷卻布置配備有獨立的熱交換器或者在液體冷卻內燃機的情況下為了該目的使用發動機冷卻布置的熱交換器(也就是說，不同液體冷卻布置的熱交換器)。后一種選擇僅僅需要兩個回路之間的相應連接。為液體冷卻布置提供渦輪機使得有可能由熱阻較小的材料(例如低合金鋼、鑄鐵、鋁)生產外殼。在另一個方面，在這里，由渦輪機殼體中的冷卻劑吸收的熱量可以為 40kW或更高。在熱交換器中從冷卻劑再次去除如此大量的熱并且借助于空氣流將熱消散到環境經證明是有問題的。現代的機動車輛驅動器適當地配備有大功率風扇電機以便在熱交換器處提供足夠高的熱傳遞所需的空氣質量流動。然而，不能任意增大或任意擴大對于熱傳遞重要的另一個參數，具體而言，為熱傳遞提供的表面積，原因是在各種熱交換器通常布置在其中的車輛前端區域中的空間可用性受到限制。除了用于發動機冷卻的熱交換器以外，現代的機動車輛常常具有另外的熱交換器，特別是冷卻裝置。增壓空氣冷卻器常常被布置在增壓式內燃機的進氣側以便有助于氣缸的更佳填充。經由油底殼通過熱傳導和自然對流產生的熱消散常常不再足以符合最大容許油溫，使得在個別情況下提供油冷卻器。此外，現代的內燃機越來越多地配備有廢氣再循環。廢氣再循環是用于消除氮氧化物的形成的一種措施。為了獲得氮氧化物排放的顯著減小，需要高廢氣再循環速度，這需要冷卻待再循環的廢氣(也就是說，通過冷卻壓縮廢氣)。可以提供另外的冷卻器以便例如在自動變速的情況下冷卻變速器油和/或冷卻在可液壓致動調節裝置中使用和/或用于轉向輔助的液壓流體，尤其是液壓油。空氣調節系統中的空氣調節冷凝器類似地是熱交換器，其在操作期間必須將熱消散到環境，也就是說，這需要足夠大的空氣流動并且因此必須被布置在前端區域中。由于在前端區域中的很受限制的空間條件和熱交換器的多樣性，因此不可能根據需要確定單獨的熱交換器的尺寸。實際上，不可能在前端區域中提供用于渦輪機液體冷卻的足夠大的熱交換器，以便在使用只能耐受低熱負荷的材料的時候也能夠消散大量的熱。所以在液體冷卻式渦輪機的結構設計中，必須在冷卻能力和材料之間達成妥協。

發明內容
基于上述的背景，本發明的目的是提供一種根據權利要求1的前序部分所述的具有液體冷卻式渦輪機的內燃機，其在渦輪機方面進行優化。本發明的另一個子目的是提出一種用于冷卻所述類型的內燃機的至少一個渦輪機的方法。第一目的借助于一種內燃機實現，所述內燃機具有至少一個液體冷卻式渦輪機， 其中具有渦輪機殼體的所述渦輪機具有整合在所述殼體中的至少一個冷卻套，以便形成液體冷卻布置，所述內燃機的特征在于整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套屬于油回路，使得所述至少一個冷卻套填充有在所述油回路中循環的油。根據本發明，使用油而不是水作為冷卻劑。這具有許多優點。為渦輪機提供液體冷卻布置使得有可能使用能承受較低熱負荷的材料來生產外殼，例如使得有可能使用低合金鋼、鑄鐵或鋁。然而特別地，通過使用油作為冷卻劑，熱傳入冷卻劑中可以相對于水冷卻劑被限制并且顯著地減小，使得消除了從現有技術知曉的沖突，所述沖突由水用作冷卻劑而產生并且在于在過程方面處理很大的熱量，也就是說，必須再次從用作冷卻劑的水去除所述很大的熱量。傳入冷卻劑中的熱量可以借助于油用作冷卻劑而被減小的事實可以尤其歸因于油的材料性質。借助于努塞爾特數(Nusselt number)(來自相似理論的無量綱特征值)，有可能描述至流動流體的熱傳遞，例如也描述當冷卻劑流動通過渦輪機殼體時冷卻劑中的熱傳入。努塞爾特數是材料相關的并且因此是流體比特征值。它與由于對流產生的熱傳遞期間的熱傳遞系數α成比例，并且因此是質量的量度，也就是說，熱傳入的量值。水的努塞爾特數是油的努塞爾特數的多倍，因此在相同的邊界條件下，由于對流產生的熱傳入在使用水作為冷卻劑時比在油用于冷卻時顯著更高。在圖的描述中，將在實例的基礎上更詳細地解釋差異。由于所提供的液體冷卻布置，可以由廉價的材料生產渦輪機的殼體而不必消散過大的熱量，原因是殼體中的熱傳遞借助于根據本發明的油的使用而有針對性地被減小。首先，根據本發明的內燃機使得有可能免除用于生產渦輪機殼體的能夠承受較高熱負荷的材料，特別是含鎳的材料，原因是根據本發明渦輪機也設有液體冷卻布置。其次， 冷卻能力(也就是說，冷卻劑中的熱傳入)借助于油的使用被減小，使得待消散的熱量不會在過程方面構成問題。根據本發明的內燃機使得有可能免除更昂貴的材料的使用，而不必與渦輪機的冷卻結合消散過大的熱量。由此實現了本發明所基于的目的，具體而言，提供一種具有液體冷卻式渦輪機的內燃機，其在渦輪機方面被優化。在根據本發明的油冷卻布置和用于用油潤滑渦輪機軸或軸承的供油裝置之間有著截然不同的區別。原則上，所述供油裝置也冷卻渦輪機或渦輪機殼體的部分。然而，渦輪機軸供油裝置自身不具有冷卻套，這明顯地使根據本發明的油冷卻布置區別于供油裝置。傳入冷卻劑中的熱量可以借助于油的使用顯著地被減小，并且不僅僅是由于結合努塞爾特數所述的影響。此外，必須考慮油可以被加熱到顯著大于水的度數，假定大氣壓， 水在100°C下蒸發。殼體中的熱傳遞因此也可以通過加熱油而減小殼體和冷卻劑(也就是說油)之間的溫差而進一步被減小。在一些情況下，油可以被加熱到200°c或更高。渦輪機可以是徑流式的構造或軸流式的構造，也就是說，接近轉子葉片的流動大致徑向地或軸向地行進。在這里，“大致徑向地”表示在徑向方向上的速度分量大于軸向速度分量。流動的速度向量與渦輪機的軸或軸線交叉，具體而言，如果接近流動完全徑向地行進，則成直角。如果在軸向方向上的速度分量更大，則渦輪機是軸流式的構造。為了使得有可能通過徑向流動接近轉子葉片，有利的是用于供應廢氣的渦輪機的
5入口區域被設計為環繞螺旋形或蝸形殼體，使得至渦輪機的廢氣的流入大致徑向地行進。渦輪機可以配備有可變渦輪機幾何形狀，其能夠借助于渦輪機幾何形狀或渦輪機有效橫截面的調節更精確地適應內燃機的各自操作點。在這里，用于影響流動方向的導向葉片布置在渦輪機的入口區域中。與旋轉式轉子的轉子葉片相比，導向葉片不隨著渦輪機的軸旋轉。如果渦輪機具有固定、不變的幾何形狀，則導向葉片在入口區域中被布置成不僅是固定的，而且也是完全不可移動的，也就是說剛性地固定。與之相比，如果使用具有可變渦輪機幾何形狀的渦輪機，則導向葉片也適當地被布置成是固定的，但不是完全不可移動的，而是可圍繞它們的軸線旋轉，使得可以影響接近轉子葉片的流動。將結合從屬權利要求論述內燃機的另外有利實施例。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中為了形成所述油回路，設有用于從所述至少一個冷卻套排出油的排出管路和用于將油供應到所述至少一個冷卻套的供應管路。此外，內燃機的這樣的實施例是有利的，其中用于輸送油的泵和熱交換器設在所述油回路中。所述泵允許控制(也就是說限定)通過所述殼體的通流速度，并且因此使得有可能進一步影響所述殼體的冷卻和用作冷卻劑的油中的熱傳入。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中設有將油供應到至少一個消耗器并且特別用于潤滑所述內燃機的活動部件的供油系統。在潤滑的背景下，油用于減小固體摩擦的比例并且此外在最佳情況下，不僅僅實現混合摩擦，而且實現相對于彼此移動的部件之間的流體摩擦。這主要用于改善部件的耐用性，但是也減小摩擦損失。在上文中的消耗器是曲柄軸，所述曲柄軸的軸承必須被供應潤滑油。為了保持和安裝曲柄軸，至少兩個軸承設在曲軸箱中，所述軸承大體上是兩部分式設計并且在每種情況下包括一個軸承座和可以連接到所述軸承座的一個軸承蓋。所述曲柄軸安裝在曲柄軸軸頸的區域中，所述曲柄軸軸頸沿著曲柄軸軸線彼此間隔開布置并且大體上形成為加厚的軸延伸部。在這里，軸承蓋和軸承座可以形成為獨立部件或與曲軸箱(也就是說與曲軸箱半部)形成單件。軸承殼可以作為中間構件布置在曲柄軸和軸承之間。在已組裝狀態下，每個軸承座連接到相應的軸承蓋。在每種情況下，一個軸承座和一個軸承蓋(如果適用的話與作為中間構件的軸承殼相互作用)形成用于保持曲柄軸軸頸的鏜孔。所述鏜孔常規地被提供機油，也就是說潤滑油，使得當曲柄軸旋轉時載荷潤滑膜理想地形成于每個鏜孔的內表面和相關曲柄軸軸頸之間，類似于滑動軸承。為了將油供應到軸承，對應于所述實施例，設有供油系統。必須經由供油裝置供應油的另一個消耗器可以是凸輪軸，所述凸輪軸大體上安裝在兩部分式的所謂的凸輪軸托座中。已經在上面關于曲柄軸軸承布置進行的敘述類似地適用。凸輪軸托座也通常被供應潤滑油。為了該目的，可以設有例如從曲柄軸托座通向位于下游的凸輪軸托座的供應管道。備選地，可以設有從設在供油裝置中的泵直接通向凸輪軸托座的供應管路。在本發明的背景下，曲柄軸和凸輪軸或相關軸承(也就是說托座)被稱為消耗器， 原因是這些消耗或使用機油，也就是說必須被供應機油，以便執行和保持它們的功能。另外的消耗器例如可以是連接桿的軸承或如果適用的話可以設有的平衡軸的軸承。類似地，然而以上意義上的消耗器是噴油冷卻布置，為了冷卻的目的，所述噴油冷卻布置借助于噴嘴用機油從下面(也就是說在曲軸箱側)弄濕活塞頂，并且因此使用油，也就是說必須被供應油。例如用于液壓閥游隙補償的可液壓致動凸輪軸調節器或其他閥驅動部件類似地需要機油并且需要供油裝置，并且因此是以上意義上的消耗器。布置在供應管路中的油過濾器或可以設有的油冷卻器或被提供用于輸送油的泵在本發明的背景下不是消耗器。供油裝置的油回路的這些部件也適當地被供應機油。然而油回路在原則以外必須使用這些部件，并且所述部件具有與油自身相關的唯一任務，也就是說功能，而消耗器首先必須有油回路。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述供油系統連接到整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套。經由供油系統被提供油的消耗器(例如曲柄軸的軸承)中的摩擦促進內燃機的燃料消耗，所述摩擦主要取決于所提供的油的粘度并且因此取決于油的溫度。根本上設法最小化燃料消耗，因此也設法減小摩擦損失。燃料消耗的減小也促進污染物排放的減少。如果所述供油系統連接到整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套，則機油同時用作渦輪機的冷卻劑。當油流動通過殼體時油經歷溫度的增加。在該背景下應當考慮渦輪機是高熱負荷的，特別地比氣缸蓋或曲軸箱熱負荷更高，使得當所述油流動通過渦輪機殼體時比當所述油流動通過氣缸蓋或曲軸箱時油的加熱(也就是說，油溫度的上升)更明顯。以該方式，保證了機油的快速加熱和內燃機的快速變熱，特別是在冷起動之后。在內燃機的預熱階段期間機油的較快加熱保證了粘度的相應快速減小，并且因此保證了摩擦和摩擦損失的減小，特別是在被提供油的軸承中。所述實施例具有另外的優點。由于所述內燃機的供油系統連接到整合在所述渦輪機殼體中的所述至少一個冷卻套，因此供油裝置連帶地形成所需的和為殼體的冷卻提供的油回路，使得形成冷卻回路所需的其他部件和組件基本上需要僅僅單獨地被提供并且既可以用于渦輪機的冷卻回路也可以用于供油裝置，這導致協同作用和相當大的成本節省，而且也導致重量減輕。例如，僅僅需要設有用于輸送用作冷卻劑的油的一個泵和用于儲存油的一個容器。傳遞到殼體中和內燃機中的油的熱可以在普通熱交換器中被消散，如果這是實際需要的話。內燃機的這樣的實施例是有利的，其具有-至少一個氣缸蓋，-至少一個氣缸體，所述至少一個氣缸體連接到所述至少一個氣缸蓋并且用作上曲軸箱半部，并且在背離所述氣缸蓋的側連接到油盤，所述油盤用作下曲軸箱半部并且用于收集和儲存機油，以及-泵，其用于經由供應管路將機油輸送到所述供油系統內的所述至少一個消耗器。所述內燃機具有彼此連接以形成單獨的氣缸(也就是說燃燒室)的至少一個氣缸體和至少一個氣缸蓋。為了保持活塞和氣缸套，所述氣缸體具有相應數量的氣缸孔。每個氣缸的活塞在氣缸套中以軸向可移動的方式被引導，并且與氣缸套和氣缸蓋一起界定氣缸的燃燒室。在這里，活塞頂形成燃燒室內壁的一部分，并且與活塞環一起相對于曲軸箱密封燃燒室，使得沒有燃燒氣體或沒有燃燒空氣進入曲軸箱，并且沒有油進入燃燒室。活塞用于將燃燒所生成的氣體力傳遞到曲柄軸。為了該目的，活塞借助于活塞銷鉸接地連接到連接桿，所述連接桿又可移動地安裝在曲柄軸上。安裝在曲軸箱中的曲柄軸吸收連接桿的力，所述連接桿的力由由于燃燒室中的燃料燃燒產生的氣體力和由于發動機部件的不一致運動產生的質量力組成。在這里，活塞的振蕩沖程運動被轉換為曲柄軸的旋轉運動。在這里，曲柄軸將扭矩傳遞到傳動系。傳遞到曲柄軸的能量的一部分大體上用于驅動輔助單元，例如油泵和交流發電機，或者用于驅動凸輪軸并且因此用于致動閥驅動器。在這里，凸輪軸常常作為頂置凸輪軸安裝在氣缸蓋中。通常，并且在本發明的背景下，所述上曲軸箱半部由所述氣缸體形成。曲軸箱由可以安裝在上曲軸箱半部上并且用作油盤的下曲軸箱半部補充。在這里，為了保持油盤，也就是說下曲軸箱半部，上曲軸箱半部具有凸緣表面。通常，為了相對于環境密封油盤或曲軸箱，密封件設在凸緣表面之中或之上。常常借助于螺栓提供連接。油盤用于收集和儲存機油并且是油回路(也就是說供油裝置)的一部分。此外，油盤用作當內燃機已被加熱到操作溫度時用于降低油溫度的熱交換器。在這里，位于油盤中的油借助于通過被引導經過外部的空氣流產生的熱傳導和對流而被冷卻。泵用于經由供應管路將機油輸送到所述供油系統內的所述至少一個消耗器。泵常常經由供應管路將機油供應到主油道，管道從所述主油道通向曲柄軸的至少兩個軸承。在這里，供應管路從泵通過氣缸體通向主油道或者首先進入氣缸蓋并且隨后經由氣缸體到達主油道。在消耗器的下游，也就是說在油已用于消耗器中之后，所謂的返回管路將機油引導回到油盤中，由此完成油回路。在這里，油的返回是重力驅動的。油回路可以基本上被分為高壓力部分和低壓力部分，高壓力部分包括位于消耗器的上游的油回路的區段，并且低壓力部分表示在消耗器的下游的區段。所設有的泵必須自身也被供應油。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中吸入管路從所述油盤通向所述泵以便將源自所述油盤的機油供應到所述泵。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述供應管路在所述泵的下游通向整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套，優選的是沒有消耗器布置在所述泵和整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套之間。關于獲得在內燃機的預熱階段期間的機油的最快可能加熱和被供應油的消耗器 (特別是軸承)中的摩擦的減小，有利的是在油被供應到消耗器之前流動通過渦輪機殼體時首先加熱油。所述實施例的另一個顯著優點在于在消耗器的上游的供應管路的區段屬于供油回路的高壓力部分。因此，通過渦輪機殼體的油的輸送是壓力驅動的而不是例如像返回管路那樣是重力驅動的。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中過濾器設在所述泵的下游，優選地在所述泵和整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套之間。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中用于將油排出所述至少一個冷卻套之外的所述排出管路通向所述供油系統。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中借助于廢氣渦輪增壓提供增壓，并且所述渦輪機是廢氣渦輪增壓器的組成部分。液體冷卻式渦輪機在由于更高的廢氣溫度而熱負荷特別高的增壓式內燃機中是特別有利的。增壓主要用于增加內燃機的功率。在這里，燃燒過程所需的空氣被壓縮，因此每個工作循環更大的空氣質量可以被供應到每個氣缸。以該方式，燃料質量可以增加，因此平均有效壓力可以增加。增壓是用于在保持活塞排量不變的同時增加內燃機的功率或用于在保持相同功率的同時減小活塞排量的合適手段。在任何情況下，增壓導致體積功率輸出的增加和功率-重量比的改善。對于相同的車輛邊界條件，因此有可能朝著燃料消耗率更低的更高負荷移動負荷總體。因此，增壓有助于在內燃機的發展中不斷地嘗試最小化燃料消耗，也就是說改善內燃機的效率。與機械增壓器相比，廢氣渦輪增壓器的優點在于在增壓器和內燃機之間不存在或不需要用于傳輸動力的機械連接。盡管機械增壓器直接從內燃機吸取驅動它所需的能量， 但是廢氣渦輪增壓器使用熱廢氣的廢氣能量。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述氣缸蓋設有整合在所述氣缸蓋中的至少一個冷卻套以便形成液體冷卻布置。基本上有可能的是，冷卻布置采用空氣冷卻布置或液體冷卻布置的形式。在空氣冷卻布置的情況下，內燃機設有風扇，其中熱的消散借助于在氣缸蓋的表面上被引導的空氣流而發生。與之相比，液體冷卻需要內燃機或氣缸蓋和/或氣缸體配備有冷卻套，也就是說需要提供引導冷卻劑通過氣缸蓋或氣缸體的冷卻劑管道，這必然產生復雜的結構。在這里， 高機械和熱負荷氣缸蓋首先由于冷卻劑管道的提供而在它的強度方面被弱化。其次，熱不需要像空氣冷卻布置那樣首先被引導到氣缸蓋表面進行消散。熱被消散到已經在氣缸蓋的內部中的冷卻劑(通常是帶有添加劑的水)。在這里，冷卻劑借助于布置在冷卻回路中的泵被給送，使得所述冷卻劑在冷卻套中循環。消散到冷卻劑的熱以該方式從氣缸蓋的內部排出，并且在熱交換器中再次從冷卻劑被去除。由于液體的熱容相對于空氣顯著更高，因此與空氣冷卻相比明顯更大的熱量有可能借助于液體冷卻被消散。由于所述原因，有利的是冷卻套被整合在氣缸蓋中以便形成液體冷卻布置。冷卻能力應當優選地足夠高以使得有可能消除用于降低廢氣溫度的濃縮(λ < 1)，例如如EP 1722090Α2中所述，并且這從能量相關方面來看被認為是不利的，尤其關于內燃機的燃料消耗和關于污染物排放。在這樣的內燃機的情況下，其中每個氣缸在排氣口側具有用于排出廢氣的至少一個排氣口并且在進氣口側具有用于供應新鮮空氣的至少一個進氣口，這樣的實施例是有利的，其特征在于，-在所述氣缸蓋中，至少一個冷卻套布置在所述排氣口側并且至少一個冷卻套布置在所述進氣口側，所述至少兩個冷卻套彼此獨立并且屬于不同的、獨立的冷卻劑回路。所述氣缸蓋具有兩個相互獨立冷卻劑回路，所述冷卻劑回路在每種情況下包括至少一個冷卻套并且可以特別地用不同的冷卻劑操作。
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液體冷卻布置的該構造或設計使得有可能在一方面的進氣口側和在另一方面的排氣口側根據需要(具體而言，彼此獨立地并且根據各自的需求分布情況)被冷卻。一個回路的所述至少一個冷卻套布置在所述排氣口側并且另一個回路的所述至少一個冷卻套布置在所述進氣口側，使得可以具體而言不僅僅通過不同冷卻劑的使用而實現所述進氣口側和所述排氣口側的不同冷卻能力。而且，每個回路的泵功率以及因此冷卻劑吞吐量(也就是說給送體積)可以彼此獨立地被選擇和設置。以該方式，有可能影響顯著地共同決定對流熱傳遞的通流速度。以該方式，有可能在進氣口側從氣缸蓋去除較少的熱，而在排氣口側從氣缸蓋去除較多的熱。在這里，內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述至少一個排氣口側冷卻套屬于冷卻水回路，而所述至少一個進氣口側冷卻套屬于油回路。由于油的使用，與水用作冷卻劑相比，在進氣口側的冷卻能力明顯被減小。根據本發明的液體冷卻布置的構造使得在進氣口側待從氣缸蓋去除的熱有可能僅僅達到防止過熱所需的程度，而根據現有技術，由于水始終用作冷卻劑，進氣口側比實際需要更強地被冷卻，原因是冷卻布置針對熱負荷更高的排氣口側被設計。所以內燃機在冷卻方面被優化。內燃機的效率由于所述類型的液體冷卻布置而增加。當在氣缸蓋的進氣口側使用油作為冷卻劑時，這樣的實施例是有利的，其中所述至少一個進氣口側冷卻套和整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套屬于相同的油回路。 使用合適的冷卻劑導向，特別在冷起動之后的內燃機的預熱期間獲得優點。油優選地首先流動通過所述殼體，并且在下游通過所述氣缸蓋。具有至少一個氣缸蓋的內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述至少一個氣缸蓋具有至少一個氣缸并且每個氣缸具有用于將廢氣排出氣缸之外的至少一個排氣口并且每個排氣口由排氣管路鄰接，所述排氣管路合并以在所述氣缸蓋內形成至少一個總排氣管路，從而形成至少一個整合排氣歧管。必須考慮根本上設法盡可能靠近氣缸的排氣口布置渦輪機，特別是廢氣渦輪增壓器的渦輪機，以便以該方式能夠最佳地利用主要由廢氣壓力和廢氣溫度確定的熱廢氣的廢氣焓，并且保證渦輪機或渦輪增壓器的快速響應行為。此外，熱廢氣至不同的廢氣后處理系統的路徑也應當盡可能地短，使得廢氣幾乎沒有時間冷卻并且保證廢氣后處理系統盡可能快地到達它們的操作溫度或起燃溫度，特別是在內燃機的冷起動之后。所以設法最小化在氣缸處的排氣口和渦輪機之間或在氣缸處的排氣口和廢氣后處理系統之間的排氣管路的部分的熱慣性，這可通過減小所述部分的質量和長度實現。在這里，適宜的是排氣管路在氣缸蓋內合并，使得形成至少一個整合排氣歧管。排氣管路的長度由于歧管的整合而被減小。首先，管路體積(也就是說在渦輪機的上游的排氣管路的廢氣體積)的大小被減小，使得渦輪機的響應行為被改善。其次，縮短的排氣管路也導致在渦輪機的上游的排氣系統的熱慣性減小，使得在渦輪機進氣口的廢氣的溫度增加，因此在渦輪機的進氣口處的廢氣的焓也更高。此外，排氣管路在氣缸內的合并允許驅動單元的密排布置。然而，以該方式設計的氣缸蓋比適配有外部歧管的常規氣缸蓋熱負荷更高，因此對冷卻布置的需求更高。所以為氣缸蓋提供液體冷卻布置與排氣歧管的整合結合是特別有利的。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述至少一個氣缸蓋具有至少兩個氣缸。如果氣缸蓋具有兩個氣缸，并且一個氣缸的排氣管路合并以形成總排氣管路，則這是所述類型的根據本發明的內燃機。如果氣缸蓋具有三個或以上氣缸，并且如果僅僅兩個氣缸的排氣管路合并以形成總排氣管路，則這類似地是根據本發明的內燃機。其中例如氣缸蓋具有串聯布置的四個氣缸并且外氣缸的排氣管路和內氣缸的排氣管路合并以在每種情況下形成一個總排氣管路的實施例類似地導致根據本發明的內燃機。在三個或以上氣缸的情況下，這樣的實施例是有利的，其中-以這樣的方式構造至少三個氣缸，使得形成在每種情況下具有至少一個氣缸的兩個組，并且-在每種情況下每個氣缸組的氣缸的排氣管路合并為總排氣管路，從而形成排氣歧管。所述實施例特別適合于雙路渦輪機的使用。雙路渦輪機具有帶有兩個進氣管道的進氣區域，兩個總排氣管路以這樣的方式連接到雙路渦輪機使得在每種情況下一個總排氣管路通向一個進氣管道。在總排氣管路中被引導的兩個廢氣流的合并發生在渦輪機的下游，如果適用的話。如果以這樣的方式對排氣管路進行分組使得可以保持高壓力，特別是排氣前導沖擊，則雙流渦輪機特別適合于脈沖增壓，借助于所述脈沖增壓甚至可以在低旋轉速度下獲得高渦輪機壓力比。然而，當使用若干渦輪機或廢氣渦輪增壓器并且在每種情況下一個總排氣管路連接到一個渦輪機時，氣缸或排氣管路的分組也提供優點。然而，其中氣缸蓋的所有氣缸的排氣管路合并以形成單一的(也就是說共同的) 總排氣管路的實施例也是有利的。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述渦輪機殼體是鑄件。借助于鑄造和相應芯體的使用，有可能在一個工序中形成殼體的復雜結構，使得隨后僅僅需要殼體的精加工和組裝以便形成渦輪機。內燃機的這樣的實施例是有利的，其中所述氣缸蓋的每個氣缸具有用于將廢氣排出氣缸之外的兩個排氣口。氣缸的進氣口和排氣口應當在正確的時間被打開和閉合，設法快速地打開盡可能最大的流動橫截面以便將流入和流出氣流中的節流損失保持在低水平并且保證用新鮮混合物最佳地填充燃燒室和有效地(也就是說完全)排出廢氣。所以有利的是為氣缸提供兩個或以上進氣口和排氣口。這樣的實施例是有利的，其中所述渦輪機和所述氣缸蓋是以非形狀配合鎖定 (non-positively locking)、形狀配合鎖定和/或粘合方式彼此連接的獨立部件。模塊化設計具有的優點是單獨的部件(具體而言，渦輪機和氣缸蓋)也可以根據模塊化原則與其他部件(特別是其他氣缸蓋或渦輪機)組合。部件的通用性通常增加產量， 因此可以減小單位生產成本。此外，如果渦輪機或氣缸蓋由于缺陷而必須被更換(也就是說替換)，則這也減小相關成本。
這樣的實施例也是有利的，其中所述渦輪機殼體至少部分地被整合到所述氣缸蓋中，使得所述氣缸蓋和所述渦輪機殼體的至少一部分形成整體部件。由于單件設計，在原則以外消除了在氣缸蓋和渦輪機之間形成氣密的、能承受較高熱負荷的并且因此昂貴的連接。因此，也不再有廢氣由于泄漏而意外地逸出到環境中的風險。在冷卻劑回路或回路的連接方面以及在冷卻劑的泄漏方面，類似的情形類似地適用。第二部分目的(具體而言，規定根據權利要求13的前序部分所述的方法)借助于一種方法實現，其中當油流動通過所述殼體時升高油溫度以便減小油中的熱傳入。針對根據本發明的內燃機所述的內容類似地適用于根據本發明的方法，由于該原因參考結合內燃機所述的內容。殼體中的熱傳遞因此可以通過加熱油而減小殼體和冷卻劑(也就是說油)之間的溫差而被減小。


下面將在圖1的基礎上更詳細地描述本發明。在圖中圖1以圖表形式顯示了兩種不同冷卻劑的熱傳遞系數的比率與冷卻劑溫度和通流速度的關系。
具體實施例方式圖1以圖表形式顯示了兩種不同冷卻劑的熱傳遞系數HTCm*!!!^-^的比率HTC Ratio與冷卻劑溫度T。。。lant和通流速度V的關系。作為冷卻劑，一方面使用油(HTCtjiJnvtjil)并且另一方面使用水(HTCwato和VwatJ。 所使用的冷卻水是水和乙二醇的混合物。熱傳遞系數HTCtjil和HTCwatw的無量綱比率HTC Eatio繪制于左側縱坐標上，并且通流速度類似地作為無量綱比率UVwatw繪制于橫坐標上。如果冷卻劑溫度上升，例如從T。。。lant = 20°C上升到T。。。lant = 120°C，則油的熱傳遞系數相比于冷卻水的系數顯著地增加。這清楚地表明在較高的冷卻劑溫度下，借助于油的冷卻在熱消散方面具有優點，也就是說油提供更強的冷卻作用。從該圖表也可以看出，即使在使用油作為冷卻劑時，熱傳遞系數也隨著通流速度而增加，原因是流動速度隨著通流速度而上升。然而，特別地，從該圖表也可以看出，由于油用作冷卻劑，因此冷卻劑中的熱傳入相比于借助于水進行的冷卻顯著地減小。該情況的基礎在于水的熱傳遞系數HTCwato比油的系數HTCtjil大多倍。
權利要求
1.一種內燃機，所述內燃機具有至少一個液體冷卻式渦輪機，其中具有渦輪機殼體的所述渦輪機具有整合在所述殼體中的至少一個冷卻套，以便形成液體冷卻布置，其中整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套屬于油回路。
2.根據權利要求1所述的內燃機，其中用于輸送油的泵和/或熱交換器設在所述油回路中。
3.根據權利要求1或2所述的內燃機，其中設有將油供應到至少一個消耗器并且特別用于潤滑所述內燃機的活動部件的供油系統。
4.根據權利要求3所述的內燃機，其中所述供油系統連接到整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套。
5.根據權利要求3或4所述的內燃機，其具有-至少一個氣缸蓋，-至少一個氣缸體，所述至少一個氣缸體連接到所述至少一個氣缸蓋并且用作上曲軸箱半部，并且在背離所述氣缸蓋的側連接到油盤，所述油盤用作下曲軸箱半部并且用于收集和儲存機油，以及-泵，所述泵用于經由供應管路將機油輸送到所述供油系統內的所述至少一個消耗器。
6.根據權利要求5所述的內燃機，其中所述供應管路在所述泵的下游通向整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套。
7.根據權利要求6所述的內燃機，其中沒有消耗器布置在所述泵和整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套之間。
8.根據前述權利要求之一所述的內燃機，其中借助于廢氣渦輪增壓提供增壓，并且所述渦輪機是廢氣渦輪增壓器的組成部分。
9.根據前述權利要求之一所述的內燃機，其具有至少一個氣缸蓋，其中所述至少一個氣缸蓋設有整合在所述氣缸蓋中的至少一個冷卻套，以便形成液體冷卻布置。
10.根據權利要求9所述的內燃機，每個氣缸在排氣口側具有用于排出廢氣的至少一個排氣口，并且在進氣口側具有用于供應新鮮空氣的至少一個進氣口，其中-在所述氣缸蓋中，至少一個冷卻套布置在所述排氣口側并且至少一個冷卻套布置在所述進氣口側，所述至少兩個冷卻套彼此獨立并且屬于不同的、獨立的冷卻劑回路。
11.根據權利要求10所述的內燃機，其中所述至少一個排氣口側冷卻套屬于冷卻水回路，而所述至少一個進氣口側冷卻套屬于油回路。
12.根據前述權利要求之一所述的內燃機，其具有至少一個氣缸蓋，其中所述至少一個氣缸蓋具有至少一個氣缸，并且每個氣缸具有用于將廢氣排出氣缸之外的至少一個排氣口并且每個排氣口由排氣管路鄰接，所述排氣管路合并以在所述氣缸蓋內形成至少一個總排氣管路，從而形成至少一個整合排氣歧管。
13.一種用于冷卻根據前述權利要求之一所述的內燃機的所述至少一個渦輪機的方法，其中當油流動通過所述殼體時升高油溫度以便減小油中的熱傳入。
全文摘要
本發明涉及一種具有至少一個液體冷卻式渦輪機的內燃機，其中具有渦輪機殼體的所述渦輪機具有整合在所述殼體中的至少一個冷卻套以便形成液體冷卻布置。本發明也涉及一種用于冷卻所述內燃機的所述至少一個渦輪的方法。設法提供一種上述類型的內燃機，其在渦輪機方面被優化。所述目的借助于所述類型的內燃機實現，所述內燃機的特征在于整合在所述殼體中的所述至少一個冷卻套屬于油回路。
文檔編號F01D25/12GK102444463SQ20111029609
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年10月5日
發明者B·斯坦納, C·韋伯, F·J·布林克曼, F·克拉默, J·格羅格, J·梅林, K·S·庫巴赫, L·斯塔姆普 申請人:福特環球技術公司