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Die
Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – mindestens
einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft
bzw. Frischgemisch auf einer Einlaßseite,
- – einem
Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse
angeordneten Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist,
an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder
anschließt,
wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern auf einer
Auslaßseite
unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes
zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – mindestens
einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete
Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten
Verdichter umfaßt,
wobei die Turbine ein auf einer Laderwelle vorgesehenes Turbinenlaufrad
und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter
ein auf der Laderwelle angeordnetes Verdichterlaufrad und einen
Austrittsbereich zum Abführen
der komprimierten Verbrennungsluft aufweist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine
insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen.
Die Anordnung der mindestens zwei Zylinder entlang der Zylinderkopflängsachse
beschränkt
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
nicht auf Reihenmotoren. Vielmehr ist beispielsweise auch ein Zwei-Zylinder-V-Motor
eine Brennkraftmaschine mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse
angeordneten Zylindern.
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Häufig wird
für die
Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt. Die Vorteile des Abgasturboladers
beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader sind darin
zu sehen, 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, somit die bereitgestellte Leistung
und auf diese Weise den Wirkungsgrad mindert, nutzt der Abgasturbolader
die Abgasenergie der heißen
Abgase.
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Bei
einem Abgasturbolader sind ein Verdichter und eine Turbine auf derselben
Welle, die im Folgenden auch als Laderwelle bezeichnet wird, angeordnet,
wobei der heiße
Abgasstrom der Turbine zugeführt
wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch
die Laderwelle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die
Turbine und schließlich
an die Laderwelle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls
auf der Laderwelle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter
fördert
und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft,
wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Die
Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
Die für
den Verbrennungsprozeß benötigte Luft
wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse
zugeführt
werden kann. Dadurch können
die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck pme gesteigert
werden.
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Die
Aufladung ist daher 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, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger
ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
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Die
Aufladung unterstützt
folglich das ständige
Bemühen
in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch
zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu
verbessern.
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Ein
weiteres grundsätzliches
Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser
Aufgabe kann die Aufladung der Brennkraftmaschine ebenfalls zielführend sein.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad
und bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung
beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim
Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen
günstig
beeinflußt
werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch
korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls
ab. Die Aufladung eignet sich daher ebenfalls zur Reduzierung der
Schadstoffemissionen.
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Weitere
Ziele bei der Entwicklung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen sind
die Verbesserung des Ansprechverhaltens beim instationären Betrieb der
Brennkraftmaschine und die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik
im unteren Drehzahlbereich.
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Nach
dem Stand der Technik wird nämlich ein
spürbarer
Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Dieser Effekt ist unerwünscht
und zählt
zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
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Verständlich wird
dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom
Turbinendruckverhältnis
abhängt.
Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert,
führt dies
zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren
Turbinendruckverhältnis.
Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls
abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
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Grundsätzlich kann
dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes
und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses
entgegengewirkt werden, was aber zu Nachteilen bei hohen Drehzahlen
führt.
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In
der Praxis führen
die beschriebenen Zusammenhänge
häufig
dazu, dass zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik mehrere
Turbolader oder Kombinationen aus Abgasturboladung und mechanischer
Aufladung eingesetzt werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine, die mindestens
einen Abgasturbolader aufweist, wobei auch zwei oder drei Abgasturbolader
vorhanden sein können.
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Zur
Verbesserung des Ansprechverhaltens sollte das Leitungsvolumen der
Abgasleitungen von den Zylindern bis hin zur Turbine möglichst
klein sein, weshalb man grundsätzlich
bemüht
ist, die Turbine des Abgasturboladers möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine
anzuordnen, auch, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase – unter sämtlichen
Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine – optimal
nutzen zu können.
Die Abgase sollten sich bis zum Eintritt in die Turbine möglichst
wenig abkühlen.
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In
Zusammenhang mit Letzterem wird es als zielführend angesehen, die thermische
Trägheit
des Teilstücks
der Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine zu minimieren,
was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht
werden kann.
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Aus
den zuvor genannten Gründen
werden bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern, die sich an die
Auslaßöffnungen
anschließen,
innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten
Abgaskrümmers
zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt. 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 sich die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt
erhöht, weshalb
auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist.
Zusätzlich
wird durch diese Maßnahme
das Fahrzeuggewicht reduziert und ein effektiveres Packaging im
Motorraum ermöglicht.
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Weisen
die Zylinder mehr als eine Auslaßöffnung auf, werden die Abgasleitungen
der einzelnen Zylinder vorzugsweise zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung
zusammengeführt,
bevor die Teilabgasleitungen von mindestens zwei Zylindern zu einer
Gesamtabgasleitung zusammengeführt
werden, um auf diese Weise die Gesamtwegstrecke sämtlicher
Abgasleitungen weiter zu verkürzen.
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Stromabwärts des
mindestens einen integrierten Krümmers
werden die Abgase dann der Turbine mindestens eines Abgasturboladers
und gegebenenfalls einem oder mehreren Abgasnachbehandlungssystemen
zugeführt.
Durch den kurzen Weg zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen
wird den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt und
die Abgasnachbehandlungssysteme erreichen vergleichsweise schnell
ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem
Kaltstart der Brennkraftmaschine.
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Um
die Abgasenergie, die im wesentlichen von der Abgastemperatur und
dem Abgasdruck bestimmt wird, möglichst
effizient nutzen zu können, sollte
das Abgas bzw. sollten die Abgasströmungen nicht nur eine möglichst
hohe Temperatur aufweisen, sondern darüber hinaus nicht häufig umgelenkt
werden d. h. bis zum Eintritt in das Turbinenlaufrad möglichst
geringfügige
Richtungsänderungen
erfahren. Jede Richtungsänderung
der Abgasströmung – beispielsweise
infolge einer Krümmung
der Abgasleitung – hat
einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Energieverlust
zur Folge.
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Aus
demselben Grund sollte auch alles vermieden werden, was den Druck
im Abgas reduziert und die an der Turbine noch zur Verfügung stehende Abgasenergie
verringert. So sollte stromaufwärts
der Turbine kein weiteres Aggregat vorgesehen sein, insbesondere
kein Abgasnachbehandlungssystem. Ein stromaufwärts der Turbine vorgesehenes
Abgasnachbehandlungssystem würde
wie ein Drosselelement wirken und den Druck im Abgas mindern.
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Das
im Zusammenhang mit der Turbine hinsichtlich des Ansprechverhaltens
und dem Druckverlust Gesagte gilt in analoger Weise auch für den Verdichter
auf der Einlaßseite
der Brennkraftmaschine. Mit zunehmender Leitungslänge verschlechtert
sich das Ansprechverhalten der Abgasturboaufladung und damit das
instationäre
Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine.
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Stromabwärts des
Verdichters in der Ansaugleitung angeordnete Aggregate mindern den
im Verdichter generierten Ladedruck und damit die Masse und den
Druck der den Zylindern im Rahmen eines Ladungswechsels zugeführten Verbrennungsluft.
Nichtsdestotrotz werden häufig
ein Ladeluftkühler
und gegebenenfalls ein Drosselelement stromabwärts des Verdichters vorgesehen,
wobei der Ladeluftkühler
die Dichte der Verbrennungsluft erhöht und damit zu einer besseren
Füllung
der Brennräume
beiträgt.
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Um
den Druckverlust in der Strömung
gering zu halten, sollte die im Verdichter komprimierte Verbrennungsluft
auf dem Weg bis hin zu den Zylindern so geringfügige Richtungsänderungen
erfahren wie möglich,
weshalb die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters möglichst
wenige Krümmungen
aufweisen sollte.
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Insbesondere
Letzteres läßt sich
in der Praxis bei Einsatz eines Abgasturboladers nicht in zufriedenstellender
Weise realisieren. Um den Anforderungen hinsichtlich der Anordnung
der Turbine nachzukommen, wird ein Abgasturbolader nach dem Stand der
Technik auf der Abgasseite angeordnet, so dass sich die Turbine
möglichst
nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine
bzw. nahe am Abgaskrümmer befindet.
Diese Vorgehensweise gewährleistet
zwar eine hohe Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine mit den
oben genannten Vorteilen, verlängert
aber die Ansaugleitung erheblich. Die Ansaugleitung führt ausgehend
vom Verdichter von der Abgasseite auf die andere Seite des Zylinderkopfes
zur Ansaugseite bis in den Einlaßbereich der Brennkraftmaschine, wobei
sie häufig
um andere Leitungen und andere an der Brennkraftmaschine angeordnete
Aggregate, insbesondere aber den Zylinderkopf, herumgeführt werden
muß.
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Aufgrund
dessen weist die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters nicht nur
eine unerwünscht
große
Länge und
damit ein unerwünscht großes Leitungsvolumen
auf, sondern darüber
hinaus auch zahlreiche Krümmungen,
mit denen die komprimierte Verbrennungsluft umgelenkt wird. Die Folge
dieser Vorgehensweise ist ein spürbarer Druckabfall
in der Verbrennungsluft.
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Die
vorstehenden Ausführungen
machen deutlich, dass ein Zielkonflikt zwischen der Anordnung der
Turbine einerseits und der Anordnung des Verdichters andererseits
besteht. Denn würde
der Verdichter entsprechend seinem Anforderungsprofil optimiert
angeordnet werden, könnte
die Lage der Turbine auf der Abgasseite nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine
nicht beibehalten werden und die Position der Turbine müßte auf
die Ansaugseite verlegt werden.
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Vor
dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen,
mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Problemen überwunden
werden und bei der insbesondere dem Anforderungsprofil der Turbine
und dem Anforderungsprofil des Verdichters Rechnung getragen wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – mindestens
einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft
bzw. Frischgemisch auf einer Einlaßseite,
- – einem
Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Zylinderkopflängsachse
angeordneten Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist,
an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder
anschließt,
wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern auf einer
Auslaßseite
unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes
zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – mindestens
einem Abgasturbolader, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete
Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten
Verdichter umfaßt,
wobei die Turbine ein auf einer Laderwelle vorgesehenes Turbinenlaufrad
und einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und der Verdichter
ein auf der Laderwelle angeordnetes Verdichterlaufrad und einen
Austrittsbereich zum Abführen
der komprimierten Verbrennungsluft aufweist,
die dadurch gekennzeichnet
ist, dass
- – der
Abgasturbolader in der Art angeordnet ist, dass die Laderwelle quer
zu der Zylinderkopflängsachse
verläuft,
wobei die Turbine auf der Auslaßseite
und der Verdichter auf der Einlaßseite angeordnet sind.
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Bei
der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
schneidet die Laderwelle eine durch die Zylinderkopflängsachse
verlaufende Ebene, so dass die Turbine auf der Auslaßseite des
Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine und der Verdichter auf
der Einlaßseite
des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine zu liegen kommen.
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Die ”Einlaßseite” und ”Auslaßseite” werden dabei
vereinfachend durch die Zylinderkopflängsachse voneinander getrennt,
liegen also auf verschiedenen Seiten der Zylinderkopflängsachse,
wobei auf der Einlaßseite
unter anderem die Einlaßöffnungen der
Zylinder und die zugehörigen
Ansaugleitungen und auf der Auslaßseite die Auslaßöffnungen
und die sich anschließenden
Abgasleitungen angeordnet sind.
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Sowohl
der Verdichter als auch die Turbine liegen damit auf der für ihre Funktion
maßgeblichen und
vorteilhaften Seite des Zylinderkopfes bzw. der Brennkraftmaschine.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
des Abgasturboladers läßt sich
der nach dem Stand der Technik bestehende Zielkonflikt zwischen
einer funktionsoptimierten Anordnung von Turbine und Verdichter
auflösen.
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So
kann bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
der Verdichter nahe am Einlaß d.
h. am Einlaßbereich
angeordnet werden und gleichzeitig eine auslaßnahe Anordnung der Turbine
realisiert bzw. beibehalten werden. Damit läßt sich sowohl stromabwärts des
Verdichters eine kurze Ansaugleitung als auch stromaufwärts der
Turbine ein kurzes Abgasabführsystem
d. h. ein kurzes Abgasleitungssystem verwirklichen, was die bereits
weiter oben ausführlich
dargelegten Vorteile mit sich bringt.
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Die
vergleichsweise kurzen Leitungen führen zu einer Verbesserung
des Ansprechverhaltens auf beiden Seiten des Abgasturboladers, wobei
den der Turbine zugeführten
Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung
eingeräumt
wird.
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Insbesondere
kann die Ansaugleitung stromabwärts
des Verdichters nicht nur wesentlich kürzer, sondern geometrisch auch
deutlich einfacher d. h. mit weniger Krümmungen ausgebildet werden,
was den Abfall des Ladedrucks infolge Strömungsumlenkungen beim Durchströmen der
Ansaugleitung spürbar mindert.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
des Abgasturboladers ermöglicht
zudem ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit, auch weil
das Erfordernis entfällt,
die Ansaugleitung ausgehend von der Abgasseite bis hin zur Einlaßseite – um den Zylinderkopf
herum – verlegen
zu müssen.
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Durch
die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
wird somit die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine
aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der sowohl dem Anforderungsprofil
der Turbine als auch dem Anforderungsprofil des Verdichters gleichzeitig
Rechnung getragen wird.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Laderwelle senkrecht zu der
Zylinderkopflängsachse
verläuft.
Diese Anordnung des Laders bzw. der Laderwelle gestattet eine möglichst
nahe Plazierung des Laders am Zylinderkopf bzw. Zylinderblock und
unterstützt
damit unter anderem ein dichtes Packaging im Motorraum, aber auch
eine weitestgehende Verkürzung
der relevanten Leitungen auf beiden Seiten der Brennkraftmaschine.
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Gegebenenfalls
ist der Lader entsprechend einer Weiterbildung der vorliegenden
Ausführungsform
zumindest teilweise in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock der Brennkraftmaschine
integriert, so dass zumindest Teile des Laders und der Zylinderkopf
bzw. Zylinderblock ein monolithisches Bauteil bilden, wozu ein senkrechter
Verlauf der Laderwelle zur Zylinderkopflängsachse nicht zwingend, aber vorteilhaft
ist. Diese Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erweist
sich auch als besonders vorteilhaft, falls der Lader via Zylinderkopf bzw.
Zylinderblock mit Kühlmittel
und/oder Öl
versorgt wird.
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Ein
senkrechter Verlauf der Laderwelle zur Zylinderkopflängsachse
kann auch Vorteile bieten hinsichtlich der Anströmbedingungen der Turbine und/oder
den Strömungsbedingungen,
unter denen die Verbrennungsluft den Verdichter verläßt und dem Einlaßbereich
zugeführt
wird, worauf weiter unten noch im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Bauweisen
von Turbine und Verdichter eingegangen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen der Abgasturbolader seitlich an
einer Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, wobei im Rahmen
der vorliegenden Erfindung als Stirnseite eine Seite des Zylinderkopfes
bezeichnet wird, die senkrecht zur Zylinderkopflängsachse verläuft und
in der Regel kürzer
ist als eine der beiden Zylinderkopflängsseiten.
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Der
Abgasturbolader wird vorzugsweise auf der Stirnseite des Zylinderkopfes
angeordnet, an der sich das Getriebe befindet, welches mit der im
Zylinderblock gelagerten Kurbelwelle verbunden ist. Eine Anordnung
des Abgasturboladers oberhalb des Getriebes ermöglicht ein dichtes Packaging
der Antriebseinheit. Grundsätzlich
besteht auch die Möglichkeit
den Abgasturbolader oberhalb des Zylinderkopfes oder unterhalb des
Zylinderblocks anzuordnen, um eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auszubilden.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine Ölversorgung des Abgasturboladers
via Zylinderkopf vorgesehen ist. Dabei wird eine Leitung zur Versorgung
des Abgasturboladers mit Öl
vom Ölleitungssystem
des Zylinderkopfes abgezweigt. Das Öl dient der Schmierung der
Lagerung der Laderwelle, welche – auch aufgrund der sehr hohen
Drehzahlen – in
der Regel als Gleitlager d. h. hydrodynamisches Lager ausgebildet
ist.
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Vorteilhaft
sind in diesem Zusammenhang – wie
bereits erwähnt – Ausführungsformen,
bei denen der Lader zumindest teilweise in den Zylinderkopf bzw.
Zylinderblock der Brennkraftmaschine integriert ist, so dass zumindest
Teile des Laders und der Zylinderkopf bzw. Zylinderblock ein monolithisches Bauteil
bilden.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann die Leitung zur Ölversorgung
des Abgasturboladers in den Zylinderkopf bzw. den Lader integriert
werden. Eine externe Leitung zur Ölversorgung wird vermieden
und damit die Ausbildung und Abdichtung der Verbindungsstellen zwischen
Leitung und Lader bzw. zwischen Leitung und Zylinderkopf. Das Öl kann dem
Zylinderkopf entnommen und dem Lader zugeführt werden, ohne dass die Gefahr
einer Leckage besteht. Des Weiteren führt die Integration der Leitung
zu einer Verringerung der Anzahl an Bauteilen und zu einer kompakteren
Bauweise.
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Eine Ölversorgung
des Abgasturboladers kann auch via Zylinderblock erfolgen.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Brennkraftmaschine mit einem
zumindest teilweise im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel
ausgestattet ist.
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Die
bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des
Kraftstoffes freigesetzte Wärme
wird teilweise über
die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den
Zylinderblock und teilweise über
den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um
die thermische Belastung des Zylinderkopfes in Grenzen zu halten,
muß ein
Teil des in den Zylinderkopf eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf
wieder entzogen werden. Grundsätzlich
besteht die Möglichkeit,
die Kühlung
in Gestalt einer Luftkühlung
oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen.
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Da
mit einer Flüssigkeitskühlung aber
wesentlich größere Wärmemengen
abgeführt
werden können
und der Zylinderkopf der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine infolge
des vollständig
integrierten Abgaskrümmern
thermisch höher
belastet ist als ein herkömmlicher
Zylinderkopf, der mit einem externen Krümmer ausgestattet ist, ist
es bei einem Zylinderkopf der vorliegenden Art vorteilhaft, eine
Flüssigkeitskühlung einzusetzen,
insbesondere, wenn berücksichtigt
wird, dass die thermische Belastung bei aufgeladenen Motoren nochmals
höher ist
und die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
ein aufgeladene Brennkraftmaschine ist.
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Die
Flüssigkeitskühlung erfordert
die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit
einem Kühlmittelmantel
d. h. die Anordnung von das Kühlmittel
durch den Zylinderkopf führenden
Kühlmittelkanälen.
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Bei
aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit vollständig integriertem Abgaskrümmer ist
eine effiziente Kühlung
erforderlich. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der
Kühlmittelmantel
einen unteren Kühlmittelmantel,
der zwischen dem Abgaskrümmer
und einer Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes, an der der Zylinderkopf
mit einem Zylinderblock verbindbar ist, angeordnet ist, und einen oberen
Kühlmittelmantel,
der auf der dem unteren Kühlmittelmantel
gegenüberliegenden
Seite des Abgaskrümmers
angeordnet ist, aufweist. Vorzugsweise wird mindestens eine Verbindung
zwischen dem unteren Kühlmittelmantel
und dem oberen Kühlmittelmantel
vorgesehen, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
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Bei
aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem zumindest teilweise im
Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die ein Turbinengehäuse aufweisende
Turbine zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit
einem Kühlmittelmantel
ausgestattet ist, wobei der im Zylinderkopf integrierte Kühlmittelmantel
mit dem Kühlmittelmantel der
Turbine verbunden ist.
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Wird
die Turbine nicht wie nach dem Stand der Technik mittels Luftkühlung gekühlt, sondern
mittels einer Flüssigkeitskühlung, kann
aufgrund der wesentlich höheren
Kühlleistung
einer Flüssigkeitskühlung gegenüber einer
Luftkühlung
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 dann nicht mehr erforderlich bzw. stark reduziert.
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Aufgrund
der Tatsache, dass das Abgas vorliegend bereits beim Durchströmen der
Turbine gekühlt
wird, kann, falls stromabwärts
der Turbine im Rahmen einer Abgasrückführung Abgas aus der Abgasleitung
abgezweigt wird, ein für
die Kühlung
des rückzuführenden
Abgases vorgesehener Kühler
kleiner dimensioniert werden.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen,
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.
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Vorteilhaft
sind dabei Ausführungsformen, 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 der
Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Diese
Ausgestaltung des integrierten Systems von Abgasleitungen verkürzt die
Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen. 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.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der Turbine kein weiteres
Aggregat angeordnet ist.
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Vorteilhaft
sind ebenfalls Ausführungsformen der
Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters kein weiteres
Aggregat angeordnet ist.
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Die
beiden zuvor genannten Ausführungsformen
erweisen sich bei der Erhaltung des Ladedrucks bis zum Eintritt
in die Zylinder bzw. der Erhaltung des Abgasdrucks bis zum Eintritt
in die Turbine als vorteilhaft. Der Druckverlust stromabwärts des
Verdichters bzw. stromaufwärts
der Turbine wird begrenzt.
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Nichtsdestotrotz
können
auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen ein Ladeluftkühler und/oder
ein Drosselelement stromabwärts
des Verdichters vorgesehen werden, wobei der Ladeluftkühler die
Dichte der Verbrennungsluft erhöht
und damit zu einer besseren Füllung der
Zylinder beiträgt
und das Drosselelement beispielweise zur Laststeuerung dienen kann.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine eine Radialturbine
ist. Bei Radialturbinen erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen
radial. ”Im Wesentlichen
radial” bedeutet,
dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als
die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor
der Strömung
schneidet die Welle bzw. Achse des Abgasturboladers und zwar in einem
rechten Winkel, falls die Anströmung
exakt radial verläuft.
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Damit
die Laufschaufeln radial angeströmt werden,
kann der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases als rundum
verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet werden. Bei
einer derartigen Radialturbine wird der Eintrittsbereich der Radialturbine
vorzugsweise koaxial zu der in die Turbine einmündenden Gesamtabgasleitung
ausgebildet, was strömungstechnische
Vorteile bietet.
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Bei
der erfindungsgemäßen Anordnung
des Abgasturboladers gestattet eine Radialturbine eine weitestgehend
geradlinige Führung
der Gesamtabgasleitung, wobei die Gesamtabgasleitung stromaufwärts der
Turbine vorzugsweise mit nur einer Krümmung versehen wird. Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitung stromaufwärts der
Turbine höchstens
eine Krümmung
aufweist, so dass die Abgasströmung
höchstens
eine Richtungsänderung
erfährt,
gewährleisten eine
möglichst
verlustarme Zuführung
der Abgasströmung
zur Turbine.
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Die
Turbine des Abgasturboladers kann auch als Axialturbine ausgeführt werden,
bei der die Anströmung
der Laufradschaufeln im Wesentlichen axial erfolgt, wobei ”im Wesentlichen
axial” bedeutet, dass
die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist
als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor
der Anströmung
im Bereich des Laufrades verläuft
dabei vorzugsweise parallel zur Welle bzw. Achse des Abgasturboladers,
falls die Anströmung
exakt axial verläuft.
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Der
Eintrittsbereich einer Axialturbine kann ebenfalls als rundum verlaufendes
Spiral- oder Schneckengehäuse
ausgebildet werden, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des
Abgases schräg
bzw. radial zur Welle verläuft
bzw. geführt wird.
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Die
Anströmung
der Laufschaufeln einer Axialturbine kann aber auch axial erfolgen,
wobei der Eintrittsbereich vorzugsweise koaxial zur Welle der Axialturbine
ausgebildet wird, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine
im Wesentlichen axial erfolgt. Eine derartige Zuführung des
Abgases zur Turbine verhindert größere d. h. spürbare Druckverluste
in der Abgasströmung
infolge Strömungsumlenkung
und führt
damit zur Bereitstellung eines möglichst
energiereichen Abgases an der Turbine.
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Hingegen
erfordert die Zuführung
des Abgases mittels Spiral- oder Schneckengehäuse die mehrfache Umlenkung
des Abgases bzw. der Abgasströmungen
mit großen
Richtungsänderungen,
was einen Druckverlust in der Abgasströmung bedingt.
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Der
Einsatz einer Axialturbine führt
zu einem verbesserten Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine infolge
einer verbesserten Beschleunigung des Laufrades, insbesondere aufgrund
des geringeren Trägheitsmomentes
des Laufzeugs der Turbine. Das Drehmoment der Brennkraftmaschine
bei niedrigen Drehzahlen erhöht
sich, da Axialturbinen – im Vergleich
zu Radialturbinen gleicher Durchflußkapazität – infolge ihres kleineren effektiven
Strömungsquerschnittes
ein verbessertes Aufstauverhalten aufweisen. Das Turbinendruckverhältnis einer
Axialturbine ist dadurch größer in diesem
Betriebszustand.
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Hat
die Brennkraftmaschine drei oder mehr Zylinder sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Turbine eine mehrflutige
Turbine ist, bei der der Eintrittsbereich mehrere Eintrittskanäle aufweist,
in die gruppenweise zusammengefaßte Abgasleitungen der mindestens
drei Zylinder münden.
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Mehrflutige
Turbinen gestatten es, die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise
zusammenzuführen
und diese gruppenweise zusammengefaßten Abgasleitungen getrennt
voneinander der Turbine zu zuführen.
Dabei werden die Abgasleitungen vorzugsweise in der Art zusammengefaßt d. h.
zusammengeführt,
dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen nicht
gegenseitig abschwächen.
Hierzu verfügt
die Brennkraftmaschine vorzugsweise über vier oder mehr Zylinder.
Eine mehrflutige Turbine eignet sich für eine Stoßaufladung, womit auch hohe
Turbinendruckverhältnisse bei
niedrigen Drehzahlen erzielt werden können.
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Vorteilhaft
können
Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine sein, bei denen im Eintrittsbereich Leitschaufeln
zur Beeinflussung der Strömungsrichtung
angeordnet sind. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden
Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine mit.
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 auch stationär
angeordnet, aber nicht völlig
unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar angeordnet, so dass auf
die Anströmung
der Laufschaufeln Einfluß genommen
werden kann.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbine mindestens
ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Axialverdichter
ist. Im Gegensatz zu Turbinen wird bei Verdichtern Bezug genommen
auf die Richtung der Abströmung
aus den Laufschaufeln heraus. Bei einem Axialverdichter erfolgt
die Abströmung
also im Wesentlichen axial. Der Geschwindigkeitsvektor der Abströmung im
Bereich des Laufrades verläuft
dabei parallel zur Welle bzw. Achse des Abgasturboladers. Die Abströmung kann
hingegen radial erfolgen.
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Grundsätzlich kann
aber auch ein Radialverdichter eingesetzt werden, was im Hinblick
auf die erfindungsgemäße Anordnung
des Laders Vorteile bietet, da die Anzahl der Krümmungen der Ansaugleitung stromabwärts des
Verdichters bei Verwendung eines Radialverdichters reduziert werden
kann.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine Rückführleitung zur Rückführung von
Abgas vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine aus der Gesamtabgasleitung
abzweigt und stromabwärts
des Verdichters in die Ansaugleitung einmündet. Bei dieser sogenannten
Hochdruck-AGR wird der Gesamtabgasleitung stromaufwärts der
Turbine Abgas entnommen, so dass das rückzuführende Abgas weder die Turbine auf
der Auslaßseite
noch den Verdichter auf der Einlaßseite durchströmt und daher
den Verdichter auch nicht mit Abgasbestandteilen kontaminieren kann.
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Vorteilhaft
sind aber auch Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen eine Rückführleitung zur Rückführung von
Abgas vorgesehen ist, die stromabwärts der Turbine aus der Gesamtabgasleitung
abzweigt und stromaufwärts
des Verdichters in die Ansaugleitung einmündet.
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Bei
dieser sogenannten Niederdruck-AGR wird der Gesamtabgasleitung stromabwärts der
Turbine Abgas entnommen, so dass das rückzuführende Abgas die Turbine auf
der Auslaßseite
durchströmt und
zur Aufladung der Brennkraftmaschine beiträgt. Das rückzuführende Abgas wird stromaufwärts des Verdichters
in die Ansaugleitung geleitet und durchströmt anschließend den Verdichter, was insbesondere
bei hohen Rückführraten
bzw. großen
rückgeführten Abgasmengen
vorteilhaft ist, um das rückgeführte Abgas
mit der angesaugten Frischluft ausreichend zu durchmischen d. h.
die den Zylindern zugeführte
Verbrennungsluft zu homogenisieren.
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Eine
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann
eine Hochdruck-AGR und gleichzeitig eine Niederdruck-AGR aufweisen.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung zur Abgasrückführung ein
Kühler
vorgesehen ist. Dieser Kühler
senkt die Temperatur im heißen
Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase, wodurch große Abgasmengen
zurückgeführt werden können. Die
Temperatur der Frischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft
mit dem rückgeführten Abgasen
in der Ansaugleitung einstellt, wird gesenkt, wodurch auch der zusätzliche
Kühler
zu einer besseren Füllung
des Brennraums beiträgt.
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Zur
Realisierung hoher Rückführraten
kann eine Kühlung
des rückzuführenden
Abgases d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung zwingend
erforderlich sein. Die Dichte des rückgeführten Abgases nimmt infolge
der Kühlung
zu.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
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1 schematisch
eine erste Ausführungsform
der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines
Drei-Zylinder-Motors.
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Die
Brennkraftmaschine 1 verfügt über einen Zylinderkopf 3 mit
drei entlang der Zylinderkopflängsachse 4 angeordneten
Zylindern 3a, von denen jeder eine Auslaßöffnung 13 aufweist,
an die sich eine Abgasleitung 6 zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder 3a anschließt. Die
Abgasleitungen 6 der drei Zylinder 3a führen auf
der Auslaßseite 11 unter
Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers 5 innerhalb
des Zylinderkopfes 3 zu einer Gesamtabgasleitung 7 zusammen.
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Zur
Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Frischluft bzw.
Frischgemisch ist auf der Einlaßseite 10 eine
Ansaugleitung 8 vorgesehen, die in ein Plenum 9 mündet, von
wo aus drei Ansaugleitungen 8a die Zylinder 3a versorgen.
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Die
Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet,
der eine in der Gesamtabgasleitung 7 angeordnete Turbine 2a und
einen in der Ansaugleitung 8 angeordneten Verdichter 2b umfaßt, wobei
weder stromabwärts
des Verdichters 2b in der Ansaugleitung 8 noch
stromaufwärts der
Turbine 2a in der Gesamtabgasleitung 7 ein weiteres
Aggregat angeordnet ist.
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Der
Abgasturbolader 2 ist seitlich an einer der beiden Stirnseiten 12 des
Zylinderkopfes 3 angeordnet und zwar in der Art, dass die
Laderwelle 2c quer – vorliegend
senkrecht – zur
Zylinderkopflängsachse 4 verläuft, wobei – ihrer
jeweiligen Funktion entsprechend – die Turbine 2a auf
der Auslaßseite 11 und
der Verdichter 2b auf der Einlaßseite 10 angeordnet
sind.
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Die
Gesamtabgasleitung 7 verläuft überwiegend senkrecht zur Laderwelle 2c und
weist stromaufwärts
der Turbine 2a nur eine Krümmung auf, so dass die Abgasströmung nur
eine Richtungsänderung
erfährt.
Dies gewährleistet
eine möglichst
verlustarme Zuführung
des Abgases zur Turbine 2a. Die Mittelachse des Eintrittsbereichs
der Turbine 2a zur Zuführung
des Abgases fluchtet mit der Gesamtabgasleitung 7.
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- 1
- Aufgeladene
Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasturbolader
- 2a
- Turbine
- 2b
- Verdichter
- 2c
- Laderwelle
- 3
- Zylinderkopf
- 3a
- Zylinder
- 4
- Zylinderkopflängsachse
- 5
- Abgaskrümmer
- 6
- Abgasleitung
- 7
- Gesamtabgasleitung
- 8
- Ansaugleitung
- 8a
- Ansaugleitung
- 9
- Plenum
- 10
- Einlaßseite
- 11
- Auslaßseite
- 12
- Stirnseite
des Zylinderkopfes
- 13
- Auslaßöffnung