DE102009027203A1

DE102009027203A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens vier Zylindern und einer zweiflutigen Turbine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009027203A1
Application number: DE102009027203A
Authority: DE
Inventors: Vanco Smiljanovski; Norbert Schorn; Helmut Kindl; Uwe Späder; Rob Stalman; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-27
Also published as: US20100326406A1; US8522548B2; CN101936213B; CN101936213A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennnkraftmaschine mit - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden und die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung in der Art zusammenführen, dass die beiden Abgaskrümmer unterschiedlich große Abgasvolumen aufweisen, und - mindestens einer zweiflutigen Turbine, die einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen aufweist, wobei jeweils eine der beiden Gesamtabgasleitungen in einen der beiden Eintrittskanäle mündet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich des Betriebs der zweiflutigen Turbine optimiert ist. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass - die Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine unterschiedlich groß mit unterschiedlich großem Querschnitt und/oder unterschiedlich großem Abgasvolumen ausgebildet sind, und - die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem kleineren Abgasvolumen mit dem größeren Eintrittskanal und die ...

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden und die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung in der Art zusammenführen, dass die beiden Abgaskrümmer unterschiedlich große Abgasvolumen aufweisen, und
– mindestens einer zweiflutigen Turbine, die einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen aufweist, wobei jeweils eine der beiden Gesamtabgasleitungen in einen der beiden Eintrittskanäle mündet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslaßöffnungen der mindestens vier Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Frischluft über die Einlaßöffnungen.
Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei das Teilstück der Gesamtabgasleitung, welches stromaufwärts einer in der Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine liegt, vorliegend, d. h. erfindungsgemäß als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird.
Die gewählte Konfiguration der Abgasleitungen der mindestens vier Zylinder im Rahmen einer Zusammenführung der Abgasleitungen hängt davon ab, welcher Betriebsbereich bei der Auslegung der Brennkraftmaschine Priorität hat, d. h. hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die auf der Abgasseite mit mindestens einer Turbine ausgestattet sind und die im unteren Drehzahl bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt.
Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine ausgenutzt werden.
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslaßventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Drucks und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslaßöffnung in das Abgassystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslaßstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.
Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
Bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen kann der Vorauslaßstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Turbinendrehzahlen erzielt werden können. Mittels Abgasturboaufladung können auf diese Weise auch bei nur geringen Abgasmengen, d. h. niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke generiert werden.
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringer Last spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslaßstöße, für die Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslaßstöße im Abgassystem erhalten werden.
Zielführend ist es daher, die Abgasleitungen bzw. Zylinder in der Weise zu gruppieren, dass die Vorauslaßstöße der einzelnen Zylinder im Abgasabführsystem erhalten werden.
Ein Zylinderkopf, bei dem die Zylinder gruppiert sind, ist daher auch mit ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, und zwar in der Art, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen einer Zylindergruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
Die beiden Gesamtabgasleitungen können dann getrennt voneinander jeweils der Turbine eines Abgasturboladers oder aber einer zweiflutigen Turbine zugeführt werden.
Vorliegend, d. h. erfindungsgemäß wird eine zweiflutige Turbine zur Aufladung der Brennkraftmaschine eingesetzt, d. h. die Turbine des eingesetzten Abgasturboladers verfügt über einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen. Die beiden Gesamtabgasleitungen werden getrennt voneinander jeweils mit einem Eintrittskanal der zweiflutigen Turbine verbunden. Die Zusammenführung der beiden in den Gesamtabgasleitungen geführten Abgasströmungen erfolgt stromabwärts der Turbine bzw. beim Durchströmen des Laufrades der Turbine, aber nicht stromaufwärts der Turbine.
Werden die Zylinder bzw. Abgasleitungen in der Weise gruppiert, dass die Vorauslaßstöße für eine Stoßaufladung erhalten werden, eignet sich insbesondere eine zweiflutige Turbine für eine Aufladung.
Der Einsatz einer zweiflutigen Turbine anstelle von zwei separaten Turbinen bietet Vorteile hinsichtlich eines möglichst dichten Packaging im Motorraum und hinsichtlich der Kosten des Antriebsaggregats. Grundsätzlich wird eine möglichst motornahe Anordnung der Turbine angestrebt, um eine möglichst hohe Abgasenthalpie am Eintritt in die Turbine zu gewährleisten, das Ansprechverhalten des Abgasturboladers zu verbessern und den Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz zu gestalten. Auch diesbezüglich weist eine zweiflutige Turbine aufgrund der beengten Platzverhältnisse Vorteile auf.
Aber auch diese aus dem Stand der Technik bekannte Aufladung der Brennkraftmaschine mittels einer zweiflutigen Turbine ist verbesserungsfähig. Wie bereits weiter oben erwähnt, baut sich der Abgasdruck, insbesondere der Vorauslaßstoß, entlang der Abgasleitung mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark ab. Das gruppenweise Zusammenführen der Abgasleitungen der mindestens vier Zylinder führt in der Regel und häufig zwangsläufig zu zwei Abgaskrümmern von unterschiedlich großem Abgasvolumen.
Die Abgasleitungen der beiden Krümmer sind unterschiedlich lang und weisen eine unterschiedliche Leitungsführung auf, in der Regel eine unterschiedlich starke und unterschiedlich häufige Krümmung. Dies führt zu unterschiedlichen Druckverläufen p(t) im Abgas an den beiden Krümmeraustritten, insbesondere zu unterschiedlich großen Druckspitzen an den Krümmeraustritten, d. h. am Eintritt in die beiden entsprechenden Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine und folglich zu unterschiedlich großen Druckspitzen am Austritt aus den beiden Eintrittskanälen der zweiflutigen Turbine, d. h. am Eintritt in das Laufrad.
Die unterschiedlich großen Druckspitzen am Eintritt in das Laufrad führen zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades. Um die im Abgassystem vorgesehene Turbine optimal, d. h. möglichst effizient betreiben zu können, sollten die Druckspitzen am Eintritt in die Turbine, d. h. am Eintritt in das Laufrad der Turbine gleichgroß sein.
Die Problematik der unterschiedlich großen Druckspitzen am Eintritt in das Laufrad soll am Beispiel eines Vier-Zylinder-Reihenmotors anhand der 1a bis 1d und 2 näher erläutert werden.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern werden in der Regel die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder als erste Zylindergruppe zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder als zweite Zylindergruppe zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammengeführt.
Diese Konfiguration der Zylinder trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors in der Regel in der Reihenfolge 1 – 3 – 4 – 2 gezündet werden, wobei die Zylinder beginnend mit einem außenliegenden Zylinder der Reihe nach durchnumeriert sind. Die vorgeschlagene Gruppierung der Zylinder sorgt dafür, dass die beiden Zylinder sowohl der ersten als auch der zweiten Zylindergruppe einen Zündabstand von 360°KW aufweisen. Die zwei Zylinder jeder Zylindergruppe weisen somit den größtmöglichen Versatz hinsichtlich ihrer Arbeitsprozesse auf, was vorteilhaft ist im Hinblick auf den Erhalt der Vorauslaßstöße.
Der Abgaskrümmer der beiden außenliegenden Zylinder weist zwangsläufig ein größeres Abgasvolumen auf als der Abgaskrümmer der beiden innenliegenden Zylinder.
Dies führt dazu, dass die Druckspitze p_23max infolge Vorauslaßstoß in der Gesamtabgasleitung des zweiten Krümmers, d. h. am Austritt des zweiten Krümmers höher ausfällt als die Druckspitze p_14max in der Gesamtabgasleitung des ersten Krümmers, d. h. am Austritt des ersten Krümmers. Nach dem Stand der Technik werden die Eintrittskanäle der Turbine symmetrisch d. h. gleichgroß ausgebildet, weshalb sich das zuvor Gesagte auf die beiden Druckspitzen p_14T, p_23T am Austritt der beiden Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine, d. h. am Eintritt in das Laufrad übertragen läßt. Es gilt: p_23max > p_14max und p_23T > p_14T
Die 1a bis 1d zeigen die zylinderspezifischen Druckverläufe an den Krümmeraustritten, d. h. in den beiden Gesamtabgasleitungen am Eintritt in die Eintrittskanäle über ein Arbeitsspiel von 720 Grad Kurbelwinkel (°KW). Die innenliegenden Zylinder 2 und 3 weisen eine höhere Druckspitze p_23max infolge Vorauslaßstoß auf als die außenliegenden Zylinder 1 und 4 mit p_14max. Der niedrigste Druck p_min wird als gleichgroß in beiden Leitungen angenommen. Abgesehen von der Druckspitze infolge Vorauslaßstoß wird der Druck näherungsweise als konstant angesehen, da vorliegend nur die Druckspitze infolge Vorauslaßstoß von Interesse ist.
Das für den Wirkungsgrad relevante Strangdruckverhältnis p₁/p₂(t) schwankt im Rahmen eines Arbeitsspiels von 720°KW im Intervall [p_min/p_23max;p_14max/p_min], wenn p₁(t) den Druck im ersten Krümmer und p₂(t) den Druck im zweiten Krümmer kennzeichnet, bzw. im Intervall [p_min/p_14max;p_23max/p_min], wenn p₁(t) den Druck im zweiten Krümmer und p₂(t) den Druck im ersten Krümmer kennzeichnet.
2 zeigt den Wirkungsgrad einer nach dem Stand der Technik ausgebildeten zweiflutigen Turbine in Abhängigkeit vom momentanen Strangdruckverhältnis p₁/p₂(t). Der größte Wirkungsgrad wird erzielt für ein Strangdruckverhältnis p₁/p₂ = 1. Im Rahmen eines Arbeitsspiels schwankt das Druckverhältnis dabei in einem der oben angegebenen Intervalle, wobei der Wirkungsgrad entlang der eingezeichneten Parabel wandert und viermal den maximalen Wirkungsgrad annimmt bzw. überstreicht.
Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades einer zweiflutigen Turbine sollte die Schwankungsbreite des Strangdruckverhältnisses minimiert werden, was durch Angleichung der Druckspitzen p_1T, p_2T erzielt werden kann.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs der zweiflutigen Turbine optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden und die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung in der Art zusammenführen, dass die beiden Abgaskrümmer unterschiedlich große Abgasvolumen aufweisen, und
– mindestens einer zweiflutigen Turbine, die einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen aufweist, wobei jeweils eine der beiden Gesamtabgasleitungen in einen der beiden Eintrittskanäle mündet,

– die Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine unterschiedlich groß mit unterschiedlich großem Querschnitt und/oder unterschiedlich großem Abgasvolumen ausgebildet sind, und
– die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem kleineren Abgasvolumen mit dem größeren Eintrittskanal und die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem größeren Abgasvolumen mit dem kleineren Eintrittskanal verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird der Eintrittsbereich der zweiflutigen Turbine asymmetrisch ausgebildet, nämlich mit unterschiedlich großen Eintrittskanälen. Der Abgasdruck in jedem der beiden Eintrittskanäle wird dadurch gezielt in unterschiedlicher Weise beeinflußt.
Ein größerer Eintrittskanal unterstützt den Druckabbau in Strömungsrichtung in der durch den Eintrittskanal hindurchgeführten Abgasströmung, wohingegen ein kleiner ausgeführter Eintrittskanal von kleinerem Querschnitt und/oder mit kleinerem Abgasvolumen dem Druckabbau entgegenwirkt und bei geeigneter Ausgestaltung sogar einen Druckanstieg bedingen kann.
Der asymmetrisch ausgebildete Eintrittsbereich wird nun in geeigneter Weise mit den Abgasleitungen verbunden. Die beiden Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine und die beiden Abgaskrümmer der Zylinder werden dabei in der Art konfiguriert, dass die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem kleineren Abgasvolumen mit dem größeren Eintrittskanal und die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem größeren Abgasvolumen mit dem kleineren Eintrittskanal verbunden ist.
Mit dem asymmetrisch ausgebildeten Eintrittsbereich soll erfindungsgemäß der Einfluß der unterschiedlich großen Abgaskrümmer auf den Abgasdruck kompensiert, zumindest aber gemindert werden.
Die unterschiedlich großen Druckspitzen an den Krümmeraustritten p_1,max und p_2,max, d. h. an den Eintritten in die beiden Eintrittskanäle sollen durch die unterschiedliche Dimensionierung der Eintrittskanäle beim Durchströmen der Kanäle angeglichen werden, und zwar vorzugsweise so weit, dass für die Druckspitzen vor Eintritt in das Laufrad gilt: p_1T ≈ p_2T
Die Angleichung der Druckspitzen p_1T, p_2T unmittelbar stromaufwärts des Laufrades führt zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der zweiflutigen Turbine.
Aus den genannten Gründen sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die zwei Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine in der Art ausgebildet sind, dass gilt |p_1T – p_2T| < |p_1,max – p_2,max|, wobei p_1T bzw. p_2T die Druckspitze am Austritt des ersten bzw. zweiten Eintrittskanals und p_1,max bzw. p_2,max die Druckspitze im ersten bzw. zweiten Krümmer am Eintritt in den zugehörigen Eintrittskanal bezeichnet.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine in der Art ausgebildet sind, dass gilt p_1T ≈ p_2T, wobei p_1T bzw. p_2T die Druckspitze am Austritt des ersten bzw. zweiten Eintrittskanals bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich des Betriebs der zweiflutigen Turbine optimiert ist.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen, wenn die Zylinder auf zwei Zylinderbänke verteilt angeordnet sind. Es sind auch Ausführungsformen ausführbar, bei denen nicht die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, sondern nur einige der im Zylinderkopf angeordneten Zylinder in der erfindungsgemäßen Weise gruppiert sind.
Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen beschrieben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mindestens vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist und die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfaßt.
Weist der mindestens eine Zylinderkopf vier in Reihe angeordnete Zylinder auf, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Gesamtabgasleitungen der zwei Zylindergruppen bzw. der Abgaskrümmer entlang der Längsachse des Zylinderkopfes versetzt angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Wie bereits erwähnt, ist es während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abfuhren der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslaßöffnung je Zylinder vorteilhaft ist.
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 einer Zylindergruppe zu der Gesamtabgasleitung dieser Zylindergruppe zusammenführen. Die Gesamtwegstrecke aller Abgasleitungen wird hierdurch – weiter – verkürzt und das Abgasvolumen der Krümmer verkleinert.
Das stufenweise Zusammenführen der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung trägt zudem zu einer kompakteren, d. h. weniger voluminösen Bauweise und damit insbesondere zu einer Gewichtsreduzierung und einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen jeder Zylindergruppe innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Bei Einsatz eines Abgasturboladers zur Aufladung einer Brennkraftmaschine wird grundsätzlich angestrebt, die Turbine möglichst nahe am Auslaß der Brennkraftmaschine anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens sollte das Abgasvolumen in den Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine möglichst gering sein. Zum anderen soll auch der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen und in der Regel stromabwärts der Turbine vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystemen möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
In diesem Zusammenhang ist man daher grundsätzlich bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitung zwischen Auslaßöffnung am Zylinder und Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann. Zielführend dabei ist die vollständige Integration der Abgaskrümmer in den mindestens einen Zylinderkopf. Ein derartiger Zylinderkopf zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, wobei die Gesamtwegstrecke der Abgasleitungen des Abgaskrümmers und das Volumen der Abgasleitungen stromaufwärts der Turbine minimiert werden können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen im Eintrittsbereich der zweiflutigen Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet sind. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt eine Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln – falls vorgesehen – 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, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluß genommen werden kann.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine der zuvor genannten Art aufzuzeigen, wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die mindestens vier Zylinder in der Art betrieben werden, dass die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich der Arbeitsprozesse aufweisen.
Das für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb auf die oben bereits gemachten Ausführungen Bezug genommen wird.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei dem die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder als erster Zylindergruppe zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder als zweiter Zylindergruppe zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass abwechselnd bei einem außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe und einem innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe die Verbrennung initiiert wird.
Die Initiierung, d. h. Einleitung der Verbrennung kann sowohl durch eine Fremdzündung, beispielsweise mittels Zündkerze, als auch durch Selbstzündung bzw. Kompressionszündung erfolgen.
Die 1a, 1b, 1c, 1d und 2 dienen der Veranschaulichung der Erfindung und wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch den vereinfachten Druckverlauf p(t) am Krümmeraustritt des ersten außenliegenden Zylinders eines Vier-Zylinder-Reihenmotors infolge des Ladungswechsels dieses ersten Zylinders über ein Arbeitsspiel von 720 Grad °KW,
1b schematisch den vereinfachten Druckverlauf p(t) am Krümmeraustritt des zweiten, innenliegenden Zylinders eines Vier-Zylinder-Reihenmotors infolge des Ladungswechsels dieses zweiten Zylinders über ein Arbeitsspiel von 720 Grad °KW,
1c schematisch den vereinfachten Druckverlauf p(t) am Krümmeraustritt des dritten, innenliegenden Zylinders eines Vier-Zylinder-Reihenmotors infolge des Ladungswechsels dieses dritten Zylinders über ein Arbeitsspiel von 720 Grad °KW,
1d schematisch den vereinfachten Druckverlauf p(t) am Krümmeraustritt des vierten, außenliegenden Zylinders eines Vier-Zylinder-Reihenmotors infolge des Ladungswechsels dieses vierten Zylinders über ein Arbeitsspiel von 720 Grad °KW, und
2 in einem Diagramm den Wirkungsgrad einer nach dem Stand der Technik ausgebildeten zweiflutigen Turbine in Abhängigkeit vom momentanen Strangdruckverhältnis p₁/p₂(t).
Bezugszeichen

°KW

Grad Kurbelwinkel

p(t)

Druckverlauf über der Zeit

p1/p2

Strangdruckverhältnis

p14max

Druckspitze am Austritt des ersten Krümmers der außenliegenden Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors,

p23max

Druckspitze am Austritt des zweiten Krümmers der innenliegenden Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors,

p14T

Druckspitze am Austritt des Turbineneintrittskanals der außenliegenden Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors,

p23T

Druckspitze am Austritt des Turbineneintrittskanals der innenliegenden Zylinder eines Vier-Zylinder-Reihenmotors,

p1

Druck im ersten Krümmer

p2

Druck im zweiten Krümmer

p1,max

Druckspitze im ersten Krümmer

p2,max

Druckspitze im zweiten Krümmer

p1T

Druckspitze am Austritt des ersten Turbineneintrittskanals

p2T

Druckspitze am Austritt des zweiten Turbineneintrittskanals

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt, wobei mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden und die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung in der Art zusammenführen, dass die beiden Abgaskrümmer unterschiedlich große Abgasvolumen aufweisen, und – mindestens einer zweiflutigen Turbine, die einen Eintrittsbereich mit zwei Eintrittskanälen aufweist, wobei jeweils eine der beiden Gesamtabgasleitungen in einen der beiden Eintrittskanäle mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine unterschiedlich groß mit unterschiedlich großem Querschnitt und/oder unterschiedlich großem Abgasvolumen ausgebildet sind, und – die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem kleineren Abgasvolumen mit dem größeren Eintrittskanal und die Gesamtabgasleitung des Abgaskrümmers mit dem größeren Abgasvolumen mit dem kleineren Eintrittskanal verbunden sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine in der Art ausgebildet sind, dass gilt |p_1T – p_2T| < |p_1,max – p_2,max|, wobei p_1T bzw. p_2T die Druckspitze am Austritt des ersten bzw. zweiten Eintrittskanals und p_1,max bzw. p_2,max die Druckspitze im ersten bzw. zweiten Krümmer am Eintritt in den dazugehörigen Eintrittskanal bezeichnet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Eintrittskanäle der zweiflutigen Turbine in der Art ausgebildet sind, dass gilt p_1T ≈ p_2T, wobei p_1T bzw. p_2T die Druckspitze am Austritt des ersten bzw. zweiten Eintrittskanals bezeichnet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der mindestens eine Zylinderkopf mindestens vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfaßt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, bei der der mindestens eine Zylinderkopf vier in Reihe angeordnete Zylinder aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfaßt, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der beiden innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder mindestens zwei Auslaßöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Abgasleitungen der mindestens zwei Auslaßöffnungen jedes Zylinders zu einer dem Zylinder zugehörigen Teilabgasleitung zusammenführen bevor die Teilabgasleitungen einer Zylindergruppe zu der Gesamtabgasleitung der Zylindergruppe zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen jeder Zylindergruppe innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung jeweils eines integrierten Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens vier Zylinder in der Art betrieben werden, dass die Zylinder einer Zylindergruppe einen möglichst großen Versatz hinsichtlich der Arbeitsprozesse aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 9 zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd bei einem außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe und einem innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe die Verbrennung initiiert wird.