Die Erfindung betrifft eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit

• mindestens einem Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, wobei zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, ein Wärmetauscher und ein Entlüftungsbehälter vorgesehen sind, und
• mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, die drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse gelagert ist, wobei zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung das Lagergehäuse mittels Verbindungsleitung in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden und zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter angeordnet ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.

Zur Ausbildung der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine wird der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbunden. Der Zylinderblock, welcher das Kurbelgehäuse zumindest mit ausbildet, 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.

Nach dem Stand der Technik werden Brennkraftmaschinen zunehmend häufig aufgeladen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozeß benötigte Luft verdichtet wird.

In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird, sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt und die in einem Lagergehäuse gelagerte Welle in Drehung versetzt. 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 zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.

Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflußt, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.

Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden häufig mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei.

Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.

Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der sogenannten Waste-Gate-Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber Nachteile bei höheren Drehzahlen.

Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader - Abgasturbolader und/oder mechanische Lader - parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.

Eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist infolge des erhöhten Mitteldrucks thermisch höher belastet als ein herkömmlicher Saugmotor und stellt daher auch erhöhte Anforderungen an die Kühlung. Um die thermische Belastung in Grenzen zu halten, wird eine aufgeladene Brennkraftmaschine in der Regel mit einer Kühlung ausgestattet, die im Folgenden auch als Motorkühlung bezeichnet wird. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Da mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können, wird eine Brennkraftmaschine der vorliegenden Art in der Regel mit einer Flüssigkeitskühlung ausgeführt. Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine.

Die Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine, d. h. des mindestens einen Zylinderkopfes bzw. des Zylinderblocks mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. -block führenden Kühlmittelkanälen, was wiederum eine komplexe Struktur bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf bzw. -block durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Oberfläche geleitet werden, um abgeführt werden zu können. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe, die in der Regel mechanisch mittels Zugmitteltrieb angetrieben wird, gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes bzw. -blocks abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen. Ein im Kühlkreislauf vorgesehener Entlüftungsbehälter dient zur Entlüftung des Kühlmittels bzw. Kreislaufs.

Die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ist ebenfalls - wie die Brennkraftmaschine selbst - thermisch hoch belastet. Dies führt dazu, dass das Turbinengehäuse nach dem Stand der Technik aus temperaturfestem, häufig nickelhaltigen Material gefertigt wird oder mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten ist, um weniger temperaturfeste Werkstoffe verwenden zu können. Die EP 1 384 857 A2 und die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 011 257 A1 beschreiben flüssigkeitsgekühlte Turbinen bzw. Turbinengehäuse.

Das heiße Abgas der aufgeladenen Brennkraftmaschine führt auch zu einer hohen thermischen Belastung des Lagergehäuses und folglich des Lagers der Laderwelle. Damit ist ein entsprechend hoher Wärmeeintrag in das dem Lager zwecks Schmierung zugeführte Öl verbunden. Das Lager ist aufgrund der hohen Drehzahl der Laderwelle in der Regel nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager ausgebildet. Infolge der Relativbewegung zwischen der Welle und dem Lagergehäuse bildet sich ein tragfähiger hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Welle und Lagerbohrung aus.

Das Öl sollte eine maximal zulässige Temperatur nicht übersteigen, da die Viskosität mit zunehmender Temperatur abnimmt und sich das Reibverhalten bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur verschlechtert. Eine zu hohe Öltemperatur beschleunigt zudem die Alterung des Öls, wobei sich auch die Schmiereigenschaften des Öls verschlechtern. Beides verkürzt die Wartungsintervalle für den Ölwechsel und kann die Funktionstüchtigkeit des Lagers gefährden, wobei sogar eine irreversible Zerstörung des Lagers und damit des Turboladers möglich ist.

Aus den zuvor genannten Gründen wird das Lagergehäuse eines Turboladers einer Brennkraftmaschine der vorliegenden Art nach dem Stand der Technik mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet. Dabei ist zu unterscheiden zwischen der Flüssigkeitskühlung des Lagergehäuses und der oben erwähnten Flüssigkeitskühlung des Turbinengehäuses. Nichtsdestotrotz können beide Flüssigkeitskühlungen - gegebenenfalls auch nur zeitweise - miteinander in Verbindung stehen, d. h. miteinander kommunizieren.

Im Gegensatz zur Motorkühlung bzw. Kühlung des Turbinengehäuses muß die Kühlung des Lagergehäuses auch bei abgestelltem Fahrzeug, d. h. abgeschalteter Brennkraftmaschine, zumindest für eine bestimmte Dauer nach Abschalten der Brennkraftmaschine aufrechterhalten werden, um irreversible Schäden durch thermische Überlastung sicher zu vermeiden.

Dies kann grundsätzlich durch eine zusätzliche, elektrisch betriebene Pumpe bewerkstelligt werden, welche beispielsweise von der Bordbatterie versorgt wird, bei abgeschalteter Brennkraftmaschine Kühlmittel via Verbindungsleitung durch das Lagergehäuse fördert und damit eine Kühlung des Lagergehäuses und des Lagers auch bei außer Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine gewährleistet. Das Vorsehen einer zusätzlichen Pumpe ist aber eine vergleichsweise kostenintensive Maßnahme.

Aus dem Stand der Technik sind auch Konzepte bekannt, die auf eine zusätzliche Pumpe verzichten. Dabei wird die Verbindungsleitung, die ausgehend vom Kühlkreislauf der Motorkühlung durch das Lagergehäuse des Abgasturboladers bis hin zum Entlüftungsbehälter führt, zumindest stromaufwärts des Lagergehäuses als Steigleitung ausgelegt. Die Förderung des Kühlmittels bei abgeschalteter Brennkraftmaschine erfolgt durch den sogenannten Thermosiphon-Effekt, welcher im Wesentlichen auf zwei Mechanismen basiert.

Aufgrund des - auch bei abgeschalteter Brennkraftmaschine - fortdauernden Wärmeeintrags vom erhitzten Lagergehäuse in das in der Verbindungsleitung befindliche Kühlmittel erhöht sich die Temperatur des Kühlmittels, wodurch die Dichte des Kühlmittels abnimmt und das vom Kühlmittel beanspruchte Volumen zunimmt. Eine Überhitzung des Kühlmittels kann darüber hinaus zu einer teilweisen Verdampfung von Kühlmittel führen, so dass Kühlmittel in die Gasphase übergeht. In beiden Fällen dehnt sich das Kühlmittel aus und beansprucht ein größeres Volumen, wodurch schließlich weiteres Kühlmittel in Richtung Entlüftungsbehälter verdrängt, d. h. gefördert, wird. Durch den sich einstellenden Unterdruck wird Kühlmittel nachgeführt.

Die Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts zur Kühlung des Lagergehäuses bei abgeschalteter Brennkraftmaschine bereitet in der Praxis häufig Probleme. Aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Motorraum eines Fahrzeuges ist es häufig nicht möglich, die Verbindungsleitung stromaufwärts des Lagergehäuses als Steigleitung auszubilden bzw. den für den Thermosiphon-Effekt erforderlichen Unterschied in der geodätischen Höhe zwischen Lagergehäuse und Entlüftungsbehälter zu realisieren. Die Gründe sind die Folgenden.

Bei Einsatz eines Abgasturboladers ist man stets bemüht, die Turbine des mindestens einen Laders möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine, d. h. den Auslaßöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise die Enthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Aus den genannten Gründen wird die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers in der Regel unmittelbar am Zylinderkopf angeordnet und damit in einer Position, die eine vergleichsweise große geodätische Höhe aufweist, d. h. ausgehend von einer Brennkraftmaschine in Einbauposition im Hinblick auf die übrigen Komponenten und Aggregate hoch gelegen ist.

Diese Einbauposition der Turbine bzw. des Lagergehäuses macht es schwierig, die Verbindungsleitung stromaufwärts des Lagergehäuses als Steigleitung auszubilden, bei der die geodätische Höhe kontinuierlich zunimmt. Denn der Entlüftungsbehälter kann nicht beliebig hoch über dem Lagergehäuse angeordnet werden. Insbesondere müssen die im Motorraum eingebauten Komponenten und Aggregate aus Gründen der Sicherheit, d. h. aufgrund von Anforderungen an das Crashverhaltens des Fahrzeuges, einen Mindestabstand zur Motorhaube einhalten. Die Einhaltung eines vorgeschriebenen Sicherheitsabstandes zur Motorhaube führt zwangsläufig zu einem nur geringen Höhenunterschied zwischen Lagergehäuse und Entlüftungsbehälter, dem Fehlen eines Höhenunterschieds oder im Einzelfall auch zu einem negativen Höhenunterschied, bei dem das Lagergehäuse im Vergleich zum Entlüftungsbehälter die größere geodätische Höhe aufweist.

Die vorstehend beschriebenen Umstände erschweren die Förderung des Kühlmittels unter Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts erheblich. Eine ungünstige Einbauposition des Entlüftungsbehälters erhöht den Widerstand gegen den das Kühlmittel ausgehend vom Lagergehäuse gefördert werden muß. Eine längere Verweildauer im Lagergehäuse ist die Folge, wobei das Kühlmittel stark überhitzen kann und der Druck - auch in der Verbindungsleitung stromaufwärts des Lagergehäuses - stark ansteigen kann.

Infolgedessen gelangt auch stark überhitzter Kühlmitteldampf von höherem Druck, insbesondere Kühlmitteldampf, via Verbindungsleitung in den Entlüftungsbehälter. Zum einen kann dies zu einer thermischen Überlastung, einer Beschädigung bzw. Zerstörung des in der Regel aus Kunststoff gefertigten Behälters führen. Zum anderen kann der erhöhte Behälterdruck dazu führen, dass ein am Behälter angeordnetes Überdruckventil unkontrolliert öffnet und dampfförmiges Kühlmittel in die Umgebung entläßt. Dies kann eine unerwünschte Geräuschentwicklung, insbesondere ein Pfeifen, verursachen. In der Regel ist der Behälter mit einem Deckel ausgestattet, der eine Behälteröffnung, die dem Einfüllen von Kühlmittel dient, verschließt und häufig auch das Überdruckventil aufnimmt. Das stark überhitzte Kühlmittel kann auch den Deckel bzw. die Deckeldichtung angreifen und zu einem Verkleben des Deckels führen.

Die vorstehend beschriebenen Druck- und Temperaturverhältnisse können zu einer pulsierenden Kühlmittelförderung führen, bei der das Kühlmittel in Stößen via Verbindungsleitung in den Entlüftungsbehälter eingeleitet wird. Dies führt zu einer Verschäumung bzw. Anreicherung des Kühlmittels mit Luft. Dem eigentlichen Zweck des Entlüftungsbehälters, nämlich das Kühlmittel zu entgasen, d. h. zu entlüften, laufen diese Effekte zu wider.

Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Kühlung des Lagergehäuses hinsichtlich der genannten Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der thermischen Belastung des Entlüftungsbehälters, optimiert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit

• mindestens einem Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, wobei zur Ausbildung eines Kühlkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels, ein Wärmetauscher und ein Entlüftungsbehälter vorgesehen sind, und
• mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, die drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse gelagert ist, wobei zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung das Lagergehäuse mittels Verbindungsleitung in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden und zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter angeordnet ist,

• die Verbindungsleitung in den Entlüftungsbehälter, der neben einem Volumen an flüssigem Kühlmittel auch ein Gasvolumen umfaßt, an einer Stelle einmündet, die mit flüssigem Kühlmittel beaufschlagt ist.

Erfindungsgemäß mündet die Verbindungsleitung unterhalb des Oberflächenspiegels des flüssigen Kühlmittels in den Entlüftungsbehälter, d. h. das vom Lagergehäuse kommende, stark überhitzte und gegebenenfalls gasförmige Kühlmittel wird unter Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts in das im Entlüftungsbehälter befindliche Volumen an flüssigem Kühlmittel hinein gefördert.

Während ein Einleiten des überhitzten Kühlmittels oberhalb des Kühlmittelspiegels unmittelbar die Innenwand des Entlüftungsbehälters thermisch stark beanspruchen, gegebenenfalls schädigen würde, erfolgt bei Einspeisen des überhitzten Kühlmittels unterhalb des Oberflächenspiegels eine direkte Vermischung mit dem flüssigem, bereits im Behälter befindlichen Kühlmittel, wobei die sich einstellende Mischtemperatur deutlich unter der Temperatur des überhitzten Kühlmittels liegt. Folglich wird die thermische Belastung des Behälters durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme, nämlich die Verbindungsleitung unterhalb des Oberflächenspiegels in die Kühlmittelflüssigkeit des Entlüftungsbehälters einmünden zu lassen, deutlich herabgesetzt.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der die Kühlung des Lagergehäuses insbesondere hinsichtlich der thermischen Belastung des Entlüftungsbehälters optimiert ist.

Das Einleiten des überhitzten Kühlmittels via Verbindungsleitung in das flüssige Kühlmittel des Entlüftungsbehälters dämpft auch eine pulsierende Kühlmittelförderung, bei der das aus dem Lagergehäuse kommende Kühlmittel stoßweise in den Entlüftungsbehälter eingebracht wird. Insofern wird eine stark ausgeprägte Verschäumung bzw. Anreicherung des Kühlmittels mit Luft bei der Einleitung vermieden.

Nicht nur die Behältertemperatur wird durch die erfindungsgemäße Einleitung des Kühlmittels unterhalb des Oberflächenspiegels gesenkt. Auch der Behälterdruck wird reduziert, so dass kein ungewolltes Öffnen eines am Behälter vorgesehenen Überdruckventils zu beobachten ist. Eine unerwünschte Geräuschentwicklung, beispielsweise ein Pfeifen, wird dadurch vermieden.

Da die Kühlmittelflüssigkeit im Behälter kein fester Körper, sondern vielmehr beweglich ist, hängt die Lage des Oberflächenspiegels von der Einbauposition bzw. momentanen Position des Behälters ab. Um einen festen eindeutigen Bezugspunkt zu gewährleisten, wird Bezug genommen auf ein ebenerdig abgestelltes Fahrzeug mit in Einbauposition befindlicher Brennkraftmaschine, d. h. mit in Einbauposition befindlichem Entlüftungsbehälter.

Bei Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen

• jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslaßöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers mündet.

Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturboaufladung wird - wie bereits ausgeführt - angestrebt, die mindestens eine Turbine möglichst nahe am Auslaß der Zylinder anzuordnen. Zielführend dabei ist, die Abgasleitungen gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform unter Ausbildung mindestens eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zusammenzuführen. Die Länge der Abgasleitungen wird dadurch verringert. Das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine, wird verkleinert, so dass sich das Ansprechverhalten der Turbine verbessert. Die verkürzten Abgasleitungen führen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Die Zusammenführung der Abgasleitungen innerhalb des Zylinderkopfes gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Des Weiteren wird auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen verkürzt und den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt, wodurch die Abgasnachbehandlungssysteme schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.

Bei Brennkraftmaschinen mit drei und mehr Zylindern sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen

• mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, und
• die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.

Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für den Einsatz einer zweiflutigen Turbine. Eine zweiflutige Turbine weist einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen auf, wobei die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung in einen Eintrittskanal mündet. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt gegebenenfalls stromabwärts der Turbine. Die Gruppierung der Zylinder bzw. Abgasleitungen bietet aber auch Vorteile beim Einsatz mehrerer Turbinen bzw. Abgasturbolader, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Turbine verbunden wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Einbauposition der Brennkraftmaschine die Eintrittsöffnung der Verbindungsleitung in den Entlüftungsbehälter eine größere geodätische Höhe aufweist als die Austrittsöffnung des Lagergehäuses, an der die Verbindungsleitung anschließt.

Ein positiver Höhenunterschied zwischen Lagergehäuse und Entlüftungsbehälter, bei dem die Eintrittsöffnung des Entlüftungsbehälters gegenüber der Austrittsöffnung des Lagergehäuses die größere geodätische Höhe aufweist, unterstützt die Förderung des Kühlmittels mittels Thermosiphon-Effekt.

Vorteilhaft sind besonders Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verbindungsleitung als Steigleitung ausgebildet ist. Zur Nutzung bzw. Verbesserung des Thermosiphon-Effekts ist es vorteilhaft, die Verbindungsleitung zumindest stromaufwärts des Lagergehäuses als Steigleitung auszubilden, bei der die geodätische Höhe kontinuierlich zunimmt.

Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen in der Einbauposition der Brennkraftmaschine die Eintrittsöffnung der Verbindungsleitung in den Entlüftungsbehälter eine geringere geodätische Höhe aufweist als die Austrittsöffnung des Lagergehäuses, an der die Verbindungsleitung anschließt.

Anforderungen an das Packaging im Motorraum und/oder die Einhaltung eines ausreichend großen Sicherheitsabstandes zur Motorhaube können eine derartige Positionierung des Entlüftungsbehälters erforderlich machen, d. h. begründen.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Verbindungsleitung zwischen der Pumpe und dem Lagergehäuse ein Kühler vorgesehen ist.

Der Kühler senkt die Kühlmitteltemperatur vor Eintritt in das Lagergehäuse und trägt so zu einer Vergrößerung der Verweildauer bei, die erforderlich ist, um das Kühlmittel im Lagergehäuse durch Wärmeeintrag zu überhitzen.

Vorteile ergeben sich insbesondere bei abgeschalteter Brennkraftmaschine, wenn die Motorkühlung außer Betrieb ist und daher das Lagergehäuse mittels anderer Maßnahmen bzw. Mechanismen kurze Zeit weiter gekühlt werden soll, um eine thermische Überhitzung zu vermeiden.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Kühler ein auf dem Prinzip der Luftkühlung arbeitender Kühler ist.

Wie bereits im Zusammenhang mit der Motorkühlung ausgeführt wurde kann eine Kühlung grundsätzlich als Luftkühlung oder als Flüssigkeitskühlung ausgeführt werden. Da bei der Kühlung des Lagergehäuses vergleichsweise geringe Wärmemengen abzuführen sind, ist es kostengünstiger und ausreichend stromaufwärts des Lagergehäuses einen Luftkühler vorzusehen.

Die Verwendung eines Luftkühlers hat weitere Vorteile. Kühlsysteme für moderne Kraftfahrzeugantriebe wie beispielsweise die Motorkühlung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden vorzugsweise mit leistungsstarken elektrisch betriebenen Lüftermotoren ausgestattet, die ein Lüfterrad antreiben und in Drehung versetzen, um den Wärmetauschern des Kühlsystems auch im Stillstand, d. h. bei stehendem Kraftfahrzeug, oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen ausreichend hohen Luftmassenstrom bereitzustellen. Häufig ist das Lüfterrad in unmittelbarer Nähe und beabstandet zum Wärmetauscher im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet.

Ein stromaufwärts des Lagergehäuses vorgesehener Luftkühler kann in der Art im Motorraum angeordnet werden, dass der durch den Lüfter hindurchgeführte Luftstrom den Luftkühler umströmt und zum Wärmeabtransport an der Oberfläche infolge Konvektion beiträgt. Vorteile hat dies insbesondere nach Abschalten der Brennkraftmaschine, wenn der Lüfter kurze Zeit elektrisch weiter betrieben wird und die Aufrechterhaltung der Kühlung im Hinblick auf eine Überhitzung des Kühlmittels im Lagergehäuse besonders sinnvoll und notwendig ist.

Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Kühler zwischen dem Zylinderblock und dem Wärmetauscher des Kühlkreislaufs angeordnet ist.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Verbindungsleitung zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter ein Drosselelement angeordnet ist, welches der Begrenzung des Kühlmitteldurchsatzes dient. Der Kühlmitteldurchsatz durch den Entlüftungsbehälter sollte möglichst gering sein, wie weiter unten noch erläutert wird.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Drosselelement stromabwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.

Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Drosselelement stromaufwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist, da stromaufwärts des Lagergehäuses flüssiges Kühlmittel das Drosselelement passiert und gedrosselt wird, wohingegen stromabwärts des Lagergehäuses überhitztes und gegebenenfalls dampfförmiges Kühlmittel vorliegt und eine Drosselung die Förderung des Kühlmittels unter Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts nachteilig beeinträchtigen kann, insbesondere einer pulsierenden Förderung Vorschub leisten könnte.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Verbindungsleitung zwischen der Pumpe und dem Entlüftungsbehälter ein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur selbsttätig steuerndes Ventil angeordnet ist, welches der Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes dient.

Das Ventil dient dazu, die Kühlmittelförderung durch das Lagergehäuse bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und während der Warmlaufphase, zu unterbinden bzw. zu minimieren.

Eine Kühlung bzw. Kühlmittelförderung bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen ist grundsätzlich nicht gewollt, da diese einer schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine und ihrer Aggregate entgegensteht.

Zudem sollte der Kühlmitteldurchsatz durch den Entlüftungsbehälter insbesondere bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen möglichst gering sein. Zum einen setzt die Entlüftung eine gewisse Verweildauer des Kühlmittels im Entlüftungsbehälter voraus, weshalb der Durchsatz grundsätzlich zu begrenzen ist. Zum anderen führt eine niedrige Temperatur des Kühlmittels bzw. die durch die niedrige Temperatur bedingte höhere Viskosität des Kühlmittels dazu, dass das Kühlmittel beim Ausströmen aus dem Entlüftungsbehälter - entgegen der eigentlichen Zielsetzung - wieder mit Luft angereichert wird.

Das selbsttätig steuernde Ventil, das auch als Thermostat-Ventil bezeichnet werden kann, variiert in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur den Strömungsquerschnitt der Verbindungsleitung und steuert damit den Kühlmitteldurchsatz durch das Lagergehäuse in der Art, dass der Durchsatz mit steigender Kühlmitteltemperatur erhöht wird. Folglich wird bei der in Rede stehenden Ausführungsform nicht nur der ungewollten Kühlmittelförderung bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen entgegengewirkt, sondern auch die Kühlmittelförderung und damit die Kühlung hin zu hohen Temperaturen durch Anhebung des Durchsatzes, d. h. durch Öffnen des Ventils, forciert, d. h. gesteigert. Daraus resultiert eine bedarfsgerechte Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel, wobei die Förderung des Kühlmittels nach wie vor auf dem Thermosiphon-Effekt beruht.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stromaufwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stromabwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.

Im Gegensatz zu der vorstehenden Ausführungsform wird das Thermostat-Ventil vorliegend mit im Lagergehäuse erwärmten Kühlmittel beaufschlagt. Dies ist vorteilhaft, da das Ventil nahezu verzögerungsfrei auf die Temperatur des Kühlmittels im Lagergehäuse reagieren kann und somit bei der Steuerung des Kühlmitteldurchsatzes unmittelbar auf den momentanen Wärmehaushalt im Lagergehäuse abstellt.

Bei einem stromaufwärts des Lagergehäuses angeordneten Ventil ergibt sich zwangsläufig eine zeitliche Verzögerung, die dadurch bedingt ist, dass das zwischen Ventil und Lagergehäuse in der Verbindungsleitung befindliche Kühlmittel zunächst mittels Wärmeleitung erwärmt werden muß, bevor das Ventil auf die im Gehäuse vorliegende Temperaturen durch Öffnen reagieren kann.

Nichtsdestotrotz sind - wie bereits erwähnt - auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Ventil stromaufwärts des Lagergehäuses in der Verbindungsleitung angeordnet ist.

Das Ventil kann auch direkt in das Lagergehäuse integriert sein, was eine verzögerungsfreie Reaktion auf die Temperaturen im Lagergehäuse gestattet. Zudem können Teile des Ventils, beispielweise das Ventilgehäuse, durch das Lagergehäuse mit ausgebildet werden und die Kühlung des Lagergehäuses zur Kühlung des Ventils herangezogen werden. Daraus ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere eine kompakte Bauweise und eine Gewichtsersparnis. Das Ventil kann auch in die Brennkraftmaschine integriert sein, wodurch sich die vorstehend genannten Vorteile in analoger Weise realisieren lassen.

Das Ventil kann stufenlos verstellbar oder zweistufig schaltbar ausgeführt sein. Ein stufenlos verstellbares Ventil ermöglicht eine bedarfsgerechte Versorgung des Lagergehäuses mit Kühlmittel in sämtlichen Betriebszuständen.

Das Ventil kann in der Schließstellung einen Leckagestrom aufweisen. Dieser Leckagestrom verhindert zwar ein vollständiges Verschließen der Verbindungsleitung bei niedrigen Temperaturen, weshalb die Kühlmittelförderung nicht völlig unterbunden werden kann. Dennoch ist eine gewisse Leckage, d. h. Undichtigkeit, des Ventils vorteilhaft, um sicherzustellen, dass das im Ventil angeordnete Thermoelement, welches letztendlich den Öffnungsvorgang einleitet, ständig mit Kühlmittel beaufschlagt ist.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Verbindungsleitung durch den Zylinderblock führt.

In der Einbauposition ist der Zylinderblock in der Regel tief im Motorraum angeordnet, d. h. auf einer im Vergleich zur Turbine niedrigen geodätischen Höhe. Wenn die Verbindungsleitung dann stromaufwärts der Turbine durch den Zylinderblock führt, ist dies insbesondere im Hinblick auf die Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts und die Ausbildung der Verbindungsleitung als Steigleitung vorteilhaft. Bei dieser Konfiguration sind die Turbine und das zu kühlende Lagergehäuse geodätisch höher angeordnet als der Zylinderblock.

Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die Verbindungsleitung durch den Zylinderkopf führt.

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Turbine oberhalb des Zylinderblocks, auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der Montage-Stirnseite angeordnet ist, kann die Verbindungsleitung auch ausgehend vom Zylinderkopf zum Lagergehäuse der Turbine führen, ohne dass darauf verzichtet werden müßte, die Leitung als Steigleitung auszubilden.

Die mindestens eine Turbine kann als Radialturbine ausgeführt sein, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet dabei, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse der Turbine und zwar in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft. Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt. Die mindestens eine Turbine kann aber auch als Axialturbine ausgeführt sein, bei der die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung.

Die mindestens eine Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.

Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert. Bei einer variablen Geometrie hingegen 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.

Grundsätzlich können zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch mehrere Turbolader eingesetzt werden, deren Turbinen bzw. Verdichter in Reihe bzw. parallel angeordnet sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles gemäß Figur 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1

schematisch in der Seitenansicht eine erste Ausführungsform der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine.

Figur 1 zeigt schematisch in der Seitenansicht eine erste Ausführungsform der aufgeladenen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 1.

Die Brennkraftmaschine 1 umfaßt einen Zylinderkopf 1a, der an einer Montage-Stirnseite 1c mit einem Zylinderblock 1b verbunden ist.

Zur Ausbildung der Motorkühlung 2 ist eine Pumpe 2a vorgesehen, mit der Kühlmittel durch einen Kühlkreislauf 2 gefördert wird. Die Pumpe 2a ist via Verbindungsleitung 5 mit einem Entlüftungsbehälter 2b verbunden, von dem aus das entgaste Kühlmittel wieder dem Kühlkreislauf 2 zugeführt wird, indem es stromaufwärts der Pumpe 2a in den Kühlkreislauf 2 eingespeist wird.

Die Brennkraftmaschine 1 wird mittels Abgasturbolader 3 aufgeladen, der einen Verdichter und eine Turbine umfaßt, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Welle ist drehbar in einem flüssigkeitsgekühlten Lagergehäuse 4 gelagert.

Zur Ausbildung der Kühlung wird das Lagergehäuse 4 mittels Verbindungsleitung 5 in den Kühlkreislauf 2 der Brennkraftmaschine 1 eingebunden und zwischen der Pumpe 2a und dem Entlüftungsbehälter 2b angeordnet. Der Zylinderblock 1b dient dabei als Entnahmestelle 7 für das Kühlmittel und ist mit einem Anschluß für die Verbindungsleitung 5 ausgestattet.

Stromaufwärts des Lagergehäuses 4 ist in der Verbindungsleitung 5 ein rohrförmiger Luftkühler 6 angeordnet, der die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in das Lagergehäuse 4 absenkt.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform weist die Eintrittsöffnung 2d der Verbindungsleitung 5 in den Entlüftungsbehälter 2b eine geringfügig größere geodätische Höhe auf als die Austrittsöffnung 4a des Lagergehäuses 4, an der die Verbindungsleitung 5 anschließt. Der positive Höhenunterschied zwischen dem Lagergehäuse 4 und dem Entlüftungsbehälter 2b unterstützt den Thermosiphon-Effekt, auch wenn die Verbindungsleitung 5 stromaufwärts des Lagergehäuses 4 vorliegend nicht als Steigleitung mit kontinuierlich zunehmender geodätischer Höhe ausgebildet ist.

Die Verbindungsleitung 5 mündet unterhalb des Kühlmittelspiegels 2c in den Entlüftungsbehälter 2b. Auf diese Weise wird das vom Lagergehäuse 4 kommende, stark überhitzte und gegebenenfalls gasförmige Kühlmittel in das im Entlüftungsbehälter 2b befindliche Volumen an flüssigem Kühlmittel 2e hinein gefördert.

Das Einspeisen des überhitzten Kühlmittels unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 2c bringt eine direkte Vermischung mit dem flüssigem, bereits im Behälter 2b befindlichen Kühlmittel mit sich, wodurch die thermische Belastung des Behälters 2b deutlich gemindert wird.

Der Behälter 2b ist mit einem Deckel 2f ausgestattet, der eine Behälteröffnung, die dem Befüllen des Behälters 2b mit Kühlmittel dient, verschließt und auch ein Überdruckventil aufnimmt (nicht dargestellt).

1

Brennkraftmaschine

1a

Zylinderkopf

1b

Zylinderblock

1c

Montage-Stirnseite

2

Kühlkreislauf, Motorkühlung

2a

Pumpe

2b

Entlüftungsbehälter

2c

Flüssigkeitsspiegel, Kühlmittelspiegel

2d

Einmündung, Eintrittsöffnung in den Entlüftungsbehälter

2e

Volumen an flüssigem Kühlmittel

2f

Deckel

3

Abgasturbolader

4

Lagergehäuse

4a

Austrittsöffnung aus dem Lagergehäuse

5

Verbindungsleitung

6

Kühler

7

Anschluß, Entnahmestelle