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技术领域

本实用新型涉及一种汽缸盖，其带有排气涡轮增压器的轴流式涡轮 并且带有至少两个汽缸，在此汽缸盖中

-轴流式涡轮包含至少一个转子，其被布置在涡轮外壳中，并且其 被安装在可旋转轴上，

-为了形成液体式冷却装置，汽缸盖装有至少一个被集成在汽缸盖 中的冷却套，以及

-每个汽缸具有至少一个出气口，用于经由排气排出系统排出排气， 并且每个出气口由排气管路毗连，其中至少两个汽缸的排气管路合并以 便在汽缸盖内形成总排气管路，由此形成集成的排气歧管，该总排气管 路通向轴流式涡轮的入口区域。

背景技术

内燃发动机具有在其装配端侧相互连接以便形成至少两个汽缸(即 燃烧室)的汽缸体和至少一个汽缸盖。例如，内燃发动机用作机动车辆 的驱动装置。这里，词语“内燃发动机”包括柴油发动机和奥托循环发 动机以及混合内燃发动机，混合内燃发动机利用混合燃烧过程和混合驱 动装置，其中混合驱动装置不仅包含内燃发动机，而且包含在驱动方面 被连接至燃发动机并从内燃发动机接收动力或作为可切换辅助驱动装置 输出额外动力的电机。

为了容纳活塞或汽缸套，汽缸体具有对应数量的汽缸孔。活塞在汽 缸套中以轴向可移动的方式被导向，并且连同汽缸套和汽缸盖一起形成 内燃发动机的燃烧室。

汽缸盖通常用作容纳气门驱动装置。为了控制充气交换，内燃发动 机需要控制元件(通常提升气门)和用于致动控制元件的致动装置。气 门运动所需的气门致动机构(包括气门本身)被称为气门驱动装置。在 充气交换期间，经由出气口排放燃烧气体，并且经由进气口吸入新鲜混 合气或增压空气。

根据现有技术，通向进气口的入口管道和出口管道(即与出气口毗 连的排气管路)被至少部分地集成在汽缸盖中。汽缸的排气管路一般被 合并以形成总排气管路或多个总排气管路。本实用新型的背景下，形成 总排气管路的排气管路的合并一般被称为排气歧管。

在根据本实用新型的汽缸盖中，排气管路合并以在汽缸盖内形成总 排气管路，由此形成集成的排气歧管。为此存在多种原因，并且特别是， 允许在歧管的下游向轴流式涡轮(具体是排气涡轮增压器的轴流式涡轮) 供应排气的事实。在轴流式涡轮中，气流大体轴向地接近转子叶片。在 本实用新型的背景下，“大体轴向地”是指轴向方向的速度分量大于径 向速度分量。

必须考虑的是，主要试图尽可能靠近汽缸的出口布置涡轮(具体是 排气涡轮增压器的涡轮)，以便由此能够最佳地利用由排气压力和排气温 度显著确定的热排气的排气焓，并且确保涡轮或涡轮增压器的快速响应 行为。此外，热排气到不同排气后处理系统的路径也应当尽可能短，使 得几乎没有给出让排气冷却的时间，并且排气后处理系统尽可能快地到 达其运转温度或起燃温度，特别是在内燃发动机的冷启动之后。

试图最小化汽缸处的出气口与涡轮和/或汽缸处的出气口与排气后处 理系统之间的那部分排气排出系统的热惯性。这里有利的是，排气管路 在汽缸盖内被合并，由此形成集成的排气歧管，特别是由此减小排气管 路的长度。这首先减小了管路体积的尺寸(即轴流式涡轮上游的排气管 路的排气体积)，使得涡轮的响应行为得以改善。其次，缩短的排气管路 还导致涡轮上游的排气排出系统的热惯性降低，使得涡轮入口处的排气 的温度增加，因此涡轮入口处的排气焓也更高。此外，排气管路在汽缸 盖内的合并允许驱动单元的密集封装。

然而，以此方式设计的汽缸盖比装有外歧管的传统汽缸盖有更高的 热载荷，并且因此对冷却装置具有更高要求。

在由燃料的发热、化学转变的燃烧期间而释放的热经由限定燃烧室 的壁部分地消散到汽缸盖和汽缸体，并经由排气流部分地消散到相邻的 部件和环境。为了使汽缸盖的热载荷保持在限值内，引入汽缸盖内的一 部分热流必须从汽缸盖中再次抽取出来。

由于与空气有关的液体的显著较高热容量，利用液体式冷却装置比 利用空气式冷却装置消散显著更多热量是可能的，由于此原因，正被讨 论的类型的汽缸盖有利地提供有液体式冷却装置。

液体式冷却需要汽缸盖提供有至少一个冷却套，即引导冷却液通过 汽缸盖的冷却液管道的装置，这必然导致汽缸盖构造的复杂结构。这里， 由于提供了冷却液管道，受高机械和热载荷的汽缸盖首先在其强度方面 被减弱。其次，热不必首先被引导到汽缸盖表面消散，空气式冷却装置 也是这种情况。热被消散到已经在汽缸盖内部的冷却液(一般为提供有 添加剂的水-乙二醇混合物)。这里，借助布置在冷却回路中的泵来馈送冷 却液，使得所述冷却液在冷却套中循环。被消散到冷却液的热以此方式 从汽缸盖的内部排出，并且在热交换器中再次从冷却液抽取出来。

液体式冷却装置已经证明是有利的，特别是在机械增压发动机的情 况下，因为机械增压发动机的热载荷仍然相当多地高于传统内燃发动机 的热载荷。

基于在上文中已经阐述的内容，根据本实用新型的汽缸盖也装有液 体式冷却装置，即装有至少一个集成的冷却套。

涡轮同样遭受到高热载荷。涡轮的制造成本因此非常高，因为用于 高热载荷的涡轮外壳的含镍材料是昂贵的，特别是与优选用于汽缸盖的 材料，例如铝。不仅材料成本本身高而且用于涡轮外壳的所述材料的加 工成本也相对高。

根据在上文中已经阐述的内容，关于成本，应认识到，如果能够提 供可以由更不昂贵的材料(例如铝)制造涡轮将会是非常有利的。关于 涡轮的重量，铝的使用也将会是有利的。

为了能够使用更便宜的材料制造涡轮，根据现有技术的涡轮提供有 冷却装置，例如提供有液体式冷却装置，这会通过热排气显著降低涡轮 和涡轮外壳的热载荷，并且因此允许更少热载荷的材料的使用。

一般而言，涡轮外壳提供有冷却套，以便形成冷却装置。现有技术 公开了两种想法，其一，外壳是铸造零件，并且冷却套在铸造过程期间 被形成为整体外壳的必要构成部分；其二，外壳具有模块化结构，其中 在装配期间形成充当冷却套的腔。

例如，在德国公开说明书DE 102008011257A1中描述了根据后一想 法设计的涡轮。借助于提供有罩的实际涡轮外壳形成涡轮的液体式冷却 装置，以便在外壳和与其间隔开布置的至少一个罩元件之间形成冷却液 能够被引入其中的腔。于是，扩大以包括罩装置的外壳围绕冷却套。

EP 1384857A2同样公开了其外壳装有冷却套的涡轮。

DE 102007017973A1描述用于形成蒸汽冷却的涡轮罩的结构设备。

由于液体的高比热含量，特别是通常使用的水，借助于液体式冷却 能够从外壳抽取大量的热。热被消散到外壳内部的冷却液，并通过冷却 液排出。被消散到冷却液的热在热交换器中从冷却液再次抽取出来。

基本上可能的是，涡轮的液体式冷却装置装有单独的热交换器，或 在液体冷却的内燃发动机的情况下为了这个目的而使用发动机冷却装置 的热交换器(即不同液体式冷却装置的热交换器)。后者只需要两个回路 之间的对应的连接。

然而，在此背景下，必须考虑的是，如果只能够经受低热载荷的材 料(诸如铝)被用来制造外壳，由涡轮中的冷却液所吸收的热量可能共 计40kW或更多。已经证明，从冷却液中抽取如此大量的热并在热交换 器中通过气流排到环境是有问题的。

现代机动车辆驱动装置适当装有大功率风扇马达，以便在热交换器 处提供足够高热传递所需的空气质量流量。然而，对于热传递显著重要 的进一步参数，特别是提供用于热传递的表面积，不能被制作为任意大 的或被任意增大，因为通常布置各种热交换器的车辆的前端区域中的空 间可用性是有限的。

除了用于发动机冷却的热交换器外，现代机动车辆通常还具有热交 换器，特别是冷却装置。

增压空气冷却器通常被布置在机械增压内燃发动机的进气侧上，以 便有助于汽缸的充气的改善。经由机油泵通过热传导和自然对流的热消 散通常不再足以维持最大可允许机油温度，因此在个别情况下提供机油 冷却器。此外，现代内燃发动机越来越多地装有排气再循环。排气再循 环是用于抵消氮氧化物形成的措施。为了获得氮氧化物排放的相当多的 减少，需要高排气再循环速率，这要求冷却的排气被再循环，即通过冷 却压缩排气。可以提供进一步冷却器，例如以便在自动变速器的情况下 冷却变速器机油和/或冷却液压液体，特别是在可液压致动的调整装置内 使用的和/或用于转向辅助的液压油。空气调节系统的空气调节冷凝器同 样是必须在运转期间将热散到环境的热交换器，即其需要足够大的空气 流量并且因此必须要被布置在前端区域中。

由于前端区域的极其有限的空间状况和热交换器的多样性，不能根 据需要设置个别热交换器的尺寸。

实际上，在前端区域中为涡轮的液体式冷却布置足够大的热交换器 以便同样能够消散在使用只能经受低热载荷的材料时产生的大量的热， 这是不可能的。因此涡轮的结构配置需要新的想法。

实用新型内容

本实用新型解决了现有技术存在的上述问题。在上文中所阐述的背 景下，本实用新型的目的是提供根据本申请公开的带有轴流式涡轮的汽 缸盖，其关于轴流式涡轮被最优化。

借助一种汽缸盖来实现所述目的，该汽缸盖带有排气涡轮增压器的 轴流式涡轮并且带有至少两个汽缸，在此汽缸盖中

-轴流式涡轮包含至少一个转子，其被布置在涡轮外壳中，并且其 被安装在可旋转轴上，

-为了形成液体式冷却装置，汽缸盖装有至少一个被集成在汽缸盖 中的冷却套，以及

-每个汽缸具有至少一个出气口，用于经由排气排出系统排出排气， 并且每个出气口由排气管路毗连，其中至少两个汽缸的排气管路合并以 便在汽缸盖内形成总排气管路，由此形成集成的排气歧管，该总排气管 路通向轴流式涡轮的入口区域， 并且此汽缸盖的特征在于

-入口区域和环绕具有间隔且周向围绕轴的至少一个转子的涡轮外 壳的至少一部分区段被集成在汽缸盖中，使得汽缸盖和涡轮外壳的至少 一部分形成整体部件。

根据本实用新型，涡轮外壳被至少部分地集成在汽缸盖中，特别是 入口区域和围绕至少一个转子的涡轮外壳的至少一部分区段。受最高热 载荷的外壳部分因此被集成在汽缸盖中，并且能够被合并在汽缸盖中提 供的液体式冷却装置中。在涡轮转子中膨胀的排气在汽缸盖外侧的涡轮 的出口处比在至少一个转子的上游(即例如在入口区域中)处于显著更 低的温度。根据本实用新型的想法具有多种优势。

借助于限制提供的热传递表面积来限制适合于涡轮的冷却能力。通 过所述措施，有利减少或限制在涡轮侧消散的热量。由此消除了必须消 散由涡轮中的冷却液所吸收的非常大的热量。然而，根据本实用新型的 想法使省掉用于制造涡轮外壳的可受高热载荷的(特别是含镍)材料成 为可能。

具体地，整体形式的部件的优势是极大的减轻重量，涡轮的紧凑设 计和改善的响应行为是由于极其紧凑耦接的布置。整体部件优选是以铸 造部件的形式，优选由铝、钢、铸铁或类似物组成。

从由于单件设计的原则消除汽缸盖与涡轮之间的气密的、可受高热 载荷并且由此昂贵的连接的形成。相当多地缩短了装配时间。

根据本实用新型，排气涡轮增压器的涡轮被设计为轴流式涡轮，即 接近转子叶片的流大体轴向地行进。在这方面，轴流式涡轮还可以具有 混合流设计，只要轴向方向的速度分量大于径向方向的速度分量。转子 区域中的接近流的速度矢量优选平行于排气涡轮增压器的轴行进，以便 接近流恰好轴向地行进。

轴流式涡轮的使用消除了对通过螺旋形或蜗形外壳径向供应排气的 需要(诸如绝对必需的，即由于原则而必需遵守的)，在径向涡轮的情况 下，由此减少由于偏斜而导致排气的压力损失，并且能够增加在到涡轮 内的入口处的排气焓。

由此实现本实用新型基于的目的，特别是提供根据本申请所公开的 带有轴流式涡轮的汽缸盖，其关于涡轮被最优化。

根据本实用新型的带有轴流式涡轮的汽缸盖特别适合于由于相对高 的排气温度而遭受特别高的热载荷的机械增压内燃发动机。在这方面， 排气涡轮增压器的涡轮的冷却是有利的。

根据本实用新型，轴流式涡轮是排气涡轮增压器的构成部分。这里， 机械增压主要用于增加内燃发动机的功率。这里，压缩燃烧过程所需的 空气，因此能够在每个工作循环为每个汽缸供应更大的空气质量。以此 方式，能够增加燃料质量，并且因此增加平均压力。

机械增压是用于增加内燃发动机的功率同时维持不变的工作容积或 用于减小工作容积同时维持相同功率的合适手段。在任何情况下，机械 增压导致体积功率输出的增加和改善的功率重量比。对于相同的车辆边 界条件，使共同的载荷移向更高的载荷，其中比燃料消耗更低。机械增 压因此辅助内燃发动机发展方面的不懈努力，以最小化燃料消耗，即改 善内燃发动机的效率。

与机械增压器有关的排气涡轮增压器的优势是，在增压器与内燃发 动机之间不存在或不需要用于传递动力的机械连接。机械增压器从内燃 发动机获得用于直接驱动它所需的能量，而排气涡轮增压器使用热排气 的排气能量。

如果汽缸盖具有三个或更多个汽缸，并且如果仅两个汽缸的排气管 路合并以形成总排气管路，这同样是根据本实用新型的汽缸盖。

汽缸盖的实施例同样是根据本实用新型的汽缸盖，其中例如，汽缸 盖具有直列式布置的四个汽缸，并且外汽缸的排气管路和内汽缸的排气 管路合并以便在任何情况下都形成一个总排气管路。

然而，这样的实施例也是有利的，其中汽缸盖的所有汽缸的排气管 路合并以形成单个(即共同的)总排气管路。

将会结合从属权利要求阐明进一步有利的汽缸盖的实施例。

汽缸盖的实施例是有利的，其中

-汽缸盖可以在装配端侧被连接至汽缸体，以及

-至少一个被集成在汽缸盖中的冷却套具有下冷却套和上冷却套， 下冷却套被布置在排气管路与汽缸盖的装配端侧之间，上冷却套被布置 在与下冷却套相对地放置的排气管路的那侧上。

在这方面，实施例是有利的，其中在下冷却套与上冷却套之间提供 与背对至少两个汽缸的集成的歧管那侧上的排气管路间隔开的至少一个 连接，该连接用作冷却液的通道。

在本实例中，汽缸盖具有至少一个连接，其被布置在汽缸盖的外壁 中，即被放置在至少一个集成的排气歧管的外部。

连接是孔或通流管道，其将下冷却套连接至上冷却套，并且通过它 冷却液能够从下冷却套流入上冷却套，和/或反之亦然。

首先，这样甚至在汽缸盖的外壁的区域中基本上也引起了冷却作用。 其次，常规的冷却液的纵向流(即沿汽缸盖的纵向轴线的方向的冷却液 流)通过相对于纵向流横向地且优选近似地沿汽缸纵向轴线的方向行进 的冷却液横向流来进行补充。这里，通过至少一个连接引导的冷却液流 对热的消散有显著的促进。具体地，通过对应地设置至少一个连接的横 截面的尺寸，针对性地影响连接中的冷却液的流速并且因此影响所述至 少一个连接的区域中的热消散，这是可能的。

额外地且有利地，可以借助于在上与下冷却套之间产生的压力梯度 来改善冷却，因此进而增加至少一个连接中的速度，由于对流，这导致 热传递增加。

实施例是有利的，其中至少一个连接与总排气管路或入口区域之间 的间距小于汽缸的直径，优选小于汽缸的直径的一半，其中间距是总排 气管路或入口区域的外壁与连接的外壁之间的距离。

在这方面，汽缸盖的实施例也是有利的，其中至少一个集成的冷却 套与入口区域至少部分地重叠。这也可以借助至少一个连接来实现至侧 边。

在这方面，汽缸盖的实施例也是有利的，其中至少一个集成的冷却 套与围绕至少一个转子的涡轮外壳的那部分区段至少部分地重叠。

汽缸盖的实施例是有利的，其中轴流式涡轮具有至少一个装有叶片 的导向装置。

轴流式涡轮可以装有可变的涡轮几何形状，其通过调整涡轮几何形 状或有效的涡轮横截面而允许对内燃发动机的各运转点的更精确适应。 为了这个目的，带有导向叶片的导向装置用作影响流动方向。相比于旋 转转子的转子叶片，导向叶片不围绕涡轮的轴旋转。

相比之下，如果涡轮具有固定的、不可变的几何形状，导向叶片不 仅被布置为以便是静止的，而且被布置为以便是完全不可动的，即是刚 性固定的。相比之下，如果使用带有可变几何形状的涡轮，导向叶片也 被适当地布置为以便是静止的，但是不被布置为以便是完全不可动的， 反而被布置为以便可围绕其轴线旋转，使得能够影响流动。

在这方面，汽缸盖的实施例是有利的，其中至少一个装有叶片的导 向装置被布置在至少一个转子的上游。

在这方面，汽缸盖的实施例也是有利的，其中至少一个装有叶片的 导向装置被布置在至少一个转子的下游。

汽缸盖的实施例也是有利的，其中轴流式涡轮具有以孔的方式分段 的至少一个导向装置。借助所述导向装置，遮盖或打开转子的某些部分 (优选三角形区段，即块状区段)是可能的，以便排气流过全部转子或 在狭窄的横截面的情况下仅流过保持空闲的未遮盖的区段。

在这方面，汽缸盖的实施例是有利的，其中以孔的方式分段的至少 一个导向装置被布置在至少一个转子的上游。

在这方面，汽缸盖的实施例也是有利的，其中以孔的方式分段的至 少一个导向装置被布置在至少一个转子的下游。

汽缸盖的实施例是有利的，其中每个汽缸具有两个出气口，用于从 汽缸排出排气。如在前面中已经提到的，在充气交换的背景下的排气排 出期间，主要目标是尽可能快地打开到最大可能的过流截面，以便保持 流入和流出气流的节流损失低，并确保排气的有效排出，由于此原因， 多于一个出气口的提供是有利的。

汽缸盖的实施例是有利的，其中汽缸盖具有沿着汽缸盖的纵向轴线 直列式布置的四个汽缸，并且四个汽缸的排气管路合并以便在汽缸盖内 形成至少一个总排气管路，由此形成至少一个集成的排气歧管。

汽缸盖的实施例是有利的，其中汽缸盖具有沿着汽缸盖的纵向轴线 直列式布置的三个汽缸，并且三个汽缸的排气管路合并以便在汽缸盖内 形成总排气管路，由此形成集成的排气歧管。

在这方面，汽缸盖的实施例是有利的，其中轴流式涡轮的轴垂直于 汽缸盖的纵向轴线行进。轴的这种取向促进或允许到转子叶片的大体轴 向入流，优选为大致平行涡轮的轴或恰好轴向地行进的入流。低压损失 确保了到涡轮内的入口处的最高可能排气焓。

由于上述原因，汽缸盖的实施例也是有利的，其中轴流式涡轮的轴 相对于集成的排气歧管居中地行进。

汽缸盖的实施例是有利的，其中轴流式涡轮的出口区域是以螺旋外 壳的形式，螺旋外壳以环绕的方式行进，因此出口区域中存在径向外流。 这允许驱动单元作为一个整体在机动车辆的发动机舱中的密集封装。

根据本实用新型，整个涡轮外壳被集成在汽缸盖中也是可能的，其 中通常放置在涡轮外壳与压缩机外壳之间的轴承外壳直接毗连汽缸盖， 并且用作轴的接收与支承装置。这里，轴承外壳形成或连带形成以环绕 的方式行进的轴流式涡轮的出口区域或螺旋外壳也是可能的。

附图说明

将基于根据图1的示例性实施例在以下更详细地描述本实用新型。 在附图中：

图1以平面图以及局部截面的方式示出了带有轴流式涡轮的汽缸盖 的第一实施例。

附图标记列表

1  汽缸盖

1a 汽缸

2  排气管路

2a 出气口

3  总排气管路

4  排气歧管

5  轴流式涡轮

6  涡轮外壳

6a 入口区域

6b 出口区域

7  转子

7a 轴

8   装有叶片的导向装置

9   以孔的方式分段的导向装置

10  轴承外壳

10a 螺旋外壳

11  进气管道

11a 进气口

具体实施方式

图1以平面图以及局部截面的方式示出了带有轴流式涡轮5的汽缸 盖1的第一实施例。

汽缸盖1具有沿着汽缸盖1的纵向轴线的直列式布置的三个汽缸1a， 由于此原因，本实施例涉及直列式发动机的三个汽缸。为了形成液体式 冷却装置，汽缸盖1装有被集成在汽缸盖1中的冷却套(未示出)。每个 汽缸1a具有两个出气口2a，用于经由排气排出系统排出排气，其中每个 出气口2a由排气管路2毗连，并且三个汽缸1a的排气管路2合并以便 在汽缸盖1内形成总排气管路3，由此形成集成的排气歧管4。

总排气管路3通向轴流式涡轮5的入口区域6a，但仍然在汽缸盖1 内。轴流式涡轮5包含涡轮外壳6和布置在所述涡轮外壳6中的转子7， 该转子被安装在可旋转轴7a上。

入口区域6a和环绕具有间隔且周向围绕轴7a的转子7的涡轮外壳6 的区段的一部分被集成在汽缸盖1内，使得汽缸盖1和涡轮外壳6的一 部分形成整体部件。轴流式涡轮5的轴7a垂直于汽缸盖1的纵向轴线且 相对于集成的排气歧管4居中地行进。

装有叶片的导向装置8被布置在转子7的上游。导向装置8的导向 叶片是静止的但不是不可动，所述导向叶片相反可围绕其轴线旋转，以 便能够影响流动。相比于旋转转子7的转子叶片，导向叶片不围绕涡轮5 的轴7a旋转。如可以从图1看出的，导向装置8也不被安装在轴7a上。 以孔的方式分段的导向装置9被布置在转子7的下游，借助于此方式， 转子7的分段式的区段能够被遮盖并且由此被停用。

转子7下游的出口区域6b由轴承外壳10连带形成，轴承外壳10是 以环绕的方式行进的螺旋外壳10a，使得出口区域6b中存在径向外流。