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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Als wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie von C02-Emissionen von Kraftfahrzeugen hat sich die Hubraumreduzierung in Verbindung mit der Aufladung der Brennkraftmaschine herausgestellt, das sogenannte Downsizing. Insbesondere im Zusammenwirken mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung können hierbei erhebliche Potentiale für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der C02-Emissionen generiert werden. Erreicht wird dies insbesondere durch eine verminderte innere Reibung, durch eine Verschiebung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine in höhere Lastbereiche und durch eine Reduzierung des Gewichts der Brennkraftmaschine durch kleinere Hubräume und/oder eine reduzierte Zylinderanzahl. Obwohl aufgeladene Brennkraftmaschinen aus der Praxis bereits hinlänglich bekannt sind, besteht zunehmend Bedarf an einer Leistungssteigerung derselben unter weiterer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der C02-Emissionen.
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Aus der
DE 18 03 160 B3 ist eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt, welche an Auslasskanälen von bestimmten Zylindern einen Receiver zum Sammeln von Abgasen für einen Gleichdruckbetrieb aufweist. Weiter beschreibt die
DE 197 39 054 schaltbare Auslassventile sowie die
DE 10 2007 046 657 A1 eine einstückig mit einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ausgebildete Auslasskanalanordnung. In der
DE 10 2008 048 681 A1 ist ein Ventil im Abgastrakt offenbart, welches in einem Bypasskanal zum Turbinenrad eines Abgasturboladers positioniert ist. Eine Verschaltung von zwei bzw. drei Abgasturboladern mit Auslasskanälen einer Brennkraftmaschine ist in der
FR 2 916 226 A3 respektive
DE 10 2010 037 186 A1 beschrieben. Die
US 7 043 913 B2 offenbart jeweils ein Reservoir pro Zylindergruppe, um Abgas vor einer Zuführung an eine Turbine eines Abgasturboladers zu sammeln.
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Hiervon ausgehend liegt der hier vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit verbesserter Abgasaufladung zu schaffen, um insbesondere bei einer Hubraumreduzierung eine Leistungssteigerung unter Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der C02-Emissionen zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind erste Auslasskanäle der Zylinder düsenartig und zweite Auslasskanäle der Zylinder diffusorartig konturiert.
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Durch die unterschiedliche Konturierung der Auslasskanäle der Zylinder einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann die Abgasaufladung derselben deutlich verbessert werden.
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So wird durch die düsenartig konturierten Auslasskanäle der Zylinder der aufgeladenen Brennkraftmaschine eine Beschleunigung und Impulserhöhung des Abgases bewirkt, die insbesondere in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine sowie in einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich derselben zu einem verbesserten Ansprechverhalten der Abgasaufladung führt.
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So kann durch die düsenartig konturierten Auslasskanäle, die eine Impulserhöhung des Abgasstroms bewirken, eine Stoßaufladung an einer Turbine des jeweiligen Abgasturboladers realisiert werden, die insbesondere im Teillastbetrieb oder Volllastbetrieb im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, als bei relativ geringen Abgasmengen, zu einem guten Ansprechverhalten des jeweiligen Abgasturboladers führt.
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In einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine im mittleren oder hohen Drehzahlbereich, also bei relativ großen Abgasmengen, kann durch eine selektive Zuschaltung der diffusorartig konturierten Auslasskanäle der Zylinder, die eine Verlangsamung und Impulsverringerung des Abgasstroms bewirken, eine Stauaufladung an einer Turbine des jeweiligen Abgasturboladers realisiert werden. Hierdurch wird die Stoßbeanspruchung der Turbine des jeweiligen Abgasturboladers verringert, um auch im Volllastbetrieb bei mittleren und hohen Drehzahlen eine gute, ausgeglichene Abgasturboaufladung zu gewährleisten.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung münden die ersten, düsenartig konturierten Auslasskanäle der Zylinder der oder jeder Zylindergruppe in jeweils einen gemeinsamen ersten Abgaskrümmer mit einem relativ kleinen Strömungsquerschnitt, und die zweiten, diffusorartig konturierten Auslasskanäle der Zylinder der oder jeder Zylindergruppe münden in jeweils einen gemeinsamen zweiten Abgaskrümmer relativ großen Strömungsquerschnitt. Durch die Abgaskrümmer mit den unterschiedlichen Strömungsquerschnitten für das Abgas kann die Abgasaufladung weiter verbessert werden.
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Vorzugsweise sind die mit den diffusorartig konturierten Auslasskanälen zusammenwirkenden Auslassventile der Zylinder oder die diffusorartig konturierten Auslasskanäle oder die jeweiligen Abgaskrümmer, in welche die diffusorartig konturierten Auslasskanäle münden, abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeschaltet oder abgeschaltet. Das Zuschalten und/oder das Abschalten der mit den diffusorartig konturierten Auslasskanälen zusammenwirkenden Auslassventile der Zylinder oder der diffusorartig konturierten Auslasskanäle erfolgt dabei vorzugsweise abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine entsprechend der Zündfolge der Zylinder.
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Die abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine selektive Zuschaltung der diffusorartig konturierten Auslasskanäle bzw. der mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile ist besonders bevorzugt, um über alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine eine gute Abgasaufladung derselben zu gewährleisten.
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Das zylinderselektive Zuschalten oder Abschalten der diffusorartig konturierten Auslasskanäle bzw. der mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile ist besonders bevorzugt, um einen harmonischen Übergang zwischen den unterschiedlichen Abgasaufladungen der unterschiedlichen Betriebszustände ohne Leistungseinbußen der Abgasaufladung zu gewährleisten.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematisierte Darstellung eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematisierte Darstellung eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematisierte Darstellung eines Zylinders einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein Detail der Zylinder der 1 bis 3;
- 5 ein weiteres Detail der Zylinder der 1 bis 3;
- 6 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Zylindern gemäß 1;
- 7 eine schematisierte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Zylindern gemäß 2;
- 8 eine schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 6 oder 7 zusammen mit Details einer den Abgasturboladern nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage;
- 9 eine schematisierte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Zylindern gemäß 2;
- 10 weitere Details der Brennkraftmaschine der 10;
- 11 eine schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 9 und 10 zusammen mit Details einer den Abgasturboladern nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage;
- 12 eine schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 9 und 10 zusammen mit Details einer den Abgasturboladern nachgeschalteten, alternativen Abgasnachbehandlungsanlage;
- 13 eine schematisierte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
- 14 eine schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 13 zusammen mit Details einer den Abgasturboladern nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage; und
- 15 eine schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine gemäß 13 zusammen mit Details einer den Abgasturboladern nachgeschalteten, alternativen Abgasnachbehandlungsanlage.
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Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Eine solche Brennkraftmaschine verfügt über mindestens eine Zylindergruppe bzw. Zylinderreihe aus mehreren reihenartig nebeneinander bzw. hintereinander positionierten Zylindern. Darüber hinaus verfügt eine solche Brennkraftmaschine über mindestens einen Abgasturbolader.
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Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in Reihen-Bauweise oder V-Bauweise oder W-Bauweise oder in Boxer-Bauweise ausgeführt sein kann. So kann die Erfindung zum Beispiel an einem 4-Zylinder-Reihenmotor oder an einem 6-Zylinder-Boxermotor oder an einem 8-Zylinder-V-Motor zum Einsatz kommen. Dabei kann jeder Zylindergruppe bzw. Zylinderreihe jeweils mindestens ein separater Abgasturbolader zugeordnet sein.
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Jeder Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt über mehrere Auslassventile für Abgas. 1 zeigt stark schematisiert einen Zylinder 20 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, der zwei Auslassventile 21 und 22 für Abgas aufweist. Neben den beiden Auslassventilen 21 und 22 sind weiterhin Einlassventile 23 und 24 für Ladeluft gezeigt. Kraftstoff wird vorzugweise über ein separates Kraftstoffeinspritzventil im Sinne einer Kraftstoffdirekteinspritzung in den Zylinder 20 eingebracht.
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Beiden Auslassventilen 21 und 22 des Zylinders 20 der 1, die dem Abströmen von Abgas aus dem Zylinder 20 dienen, ist jeweils ein Auslasskanal 25 bzw. 26 zugeordnet. So wirkt mit dem Auslassventil 21 der Auslasskanal 25 und mit dem Auslassventil 22 der Auslasskanal 26 zusammen.
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Erfindungsgemäß ist ein erster Auslasskanal 25 des Zylinders 20 düsenartig und ein zweiter Auslasskanal 26 des Zylinders 20 diffusorartig konturiert. Die Auslassventile 21 und 22 weisen dabei vorzugsweise identische Strömungsquerschnitte auf. Ausgehend von diesen identischen Strömungsquerschnitten der Auslassventile 21 und 22 sind die Auslasskanäle 25 und 26 derart konturiert, dass ein düsenartig konturierter Auslasskanal 25 (siehe 4) in Strömungsrichtung des Abgases gesehen einen sich verengenden Strömungsquerschnitt aufweist, wohingegen ein diffusorartig konturierter Auslasskanal 26 (siehe 5)in Strömungsrichtung des Abgases gesehen einen sich erweiternden Strömungsquerschnitt aufweist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es bevorzugt ist, dass sämtliche Auslassventile 21 und 22 eines Zylinders 20 einen identischen Strömungsquerschnitt aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, dass die mit den unterschiedlich konturierten Auslasskanälen 25, 26 zusammenwirkenden Auslassventile 21, 22 unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen, derart, dass zum Beispiel ein mit einem düsenartig konturierten Auslasskanal 25 zusammenwirkendes Auslassventil 21 einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als ein mit einem diffusorartig konturierten Auslasskanal 26 zusammenwirkendes Auslassventil 22.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, dass jeder Zylinder 20 einer Brennkraftmaschine mehrere Auslassventile 21, 22 aufweist, wobei mit jedem Auslassventil 21, 22 ein Auslasskanal 25, 26 zusammen wirkt, wobei mindestens ein erster Auslasskanal 25 des Zylinders düsenartig und mindestens ein zweiter Auslasskanal 26 des Zylinders diffusorartig konturiert ist.
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2 zeigt einen alternativen Zylinder 20' einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei der Zylinder 20' der 2 drei Auslassventile 21 und 22 mit jeweils einem Auslasskanal 25 und 26 aufweist, nämlich zwei erste Auslassventile 21, denen düsenartig konturierte erste Auslasskanäle 25 zugeordnet sind, sowie ein zweites Auslassventil 22, dem ein diffusorartig konturierter zweiter Auslasskanal 26 zugeordnet ist.
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Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die beiden Auslassventile 21, die mit jeweils einem düsenartig konturierten Auslasskanal 25 zusammen wirken, am Zylinder 20' unmittelbar nebeneinander positioniert, wobei die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 der beiden Auslassventile 21 des Zylinders 20' vereinigt sind.
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3 zeigt eine weitere Alternative eines Zylinders 20“ einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die ebenso wie der Zylinder 20' der 2 insgesamt drei Auslassventile 21 und 22 aufweist, wobei zwei erste Auslassventile 21 mit düsenartig konturierten ersten Auslasskanälen 25 zusammenwirken, und wobei ein zweites Auslassventil 22 mit einem diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanal 26 zusammenwirkt.
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Auch in der Variante der 3 sind die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 wiederum vereinigt, wobei jedoch beim Zylinder 20“ der 3 im Unterschied zum Zylinder 20' der 2 die mit den düsenartig konturierten Auslasskanälen 25 zusammenwirkenden Auslassventile 21 am Zylinder 20“ nicht unmittelbar nebeneinander positioniert sind, vielmehr ist in 3 zwischen den beiden ersten Auslassventilen 21, die mit jeweils düsenartig konturierten Auslasskanälen 25 zusammenwirken, das zweite Auslassventil 22 positioniert, das mit dem diffusorartig konturierten Auslasskanal 26 zusammenwirkt.
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Mit der Variante der 3 kann eine gleichmäßigere Abgasanströmung der mit den düsenartig konturierten Auslasskanälen 25 zusammenwirkenden Auslassventile 21 gewährleistet werden.
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6 zeigt eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 30 mit zwei Zylindergruppen 31 und 32 aus jeweils drei Zylindern, wobei in 6 die Zylinder 20 der 1 zum Einsatz kommen. Bei der Brennkraftmaschine der 6 kann es sich um eine 6-Zylinder-Brennkraftmaschine in Boxer-Bauweise oder V-Bauweise handeln.
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Gemäß 6 umfasst jeder Zylinder 20 der beiden Zylindergruppen 31 und 32 jeweils ein erstes Auslassventil 21, das mit einem düsenartig konturierten ersten Auslasskanal 25 zusammenwirkt, sowie jeweils ein zweites Auslassventil 22, das mit einem diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanal 26 zusammenwirkt.
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Dabei münden im Bereich jeder Zylindergruppe 31 und 32 die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 der Zylinder 20 der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 in jeweils einen gemeinsamen ersten Abgaskrümmer 33, wohingegen die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 der Zylinder 20 der beiden Zylindergruppen 31 und 32 in jeweils einen gemeinsamen zweiten Abgaskrümmer 34 münden.
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Im Ausführungsbeispiel der 6 ist dabei jeder Zylindergruppe 31 und 32 ein separater Abgasturbolader 35 bzw. 36 zugeordnet, wobei beide Abgaskrümmer 33 und 34 der Zylindergruppen 31 und 32 jeweils zur Turbine 37 des jeweiligen separaten Abgasturboladers 35 bzw. 36 führen, um das Abgas der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 im jeweiligen Abgasturbolader 35 bzw. 36 der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 zu entspannen.
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Die ersten Abgaskrümmer 33, in welche die düsenartige konturierten Auslasskanäle 25 münden, verfügen dabei über einen relativ kleinen Strömungsquerschnitt für das Abgas, wohingegen die zweiten Abgaskrümmer 34, in welche die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 münden, einen relativ großen Strömungsquerschnitt aufweisen.
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Wie bereits ausgeführt, führen im Ausführungsbeispiel der 6 beide Abgaskrümmer 33 und 34 der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 das Abgas der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 zum der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 zugeordneten, separaten bzw. individuellen Abgasturbolader 35 bzw. 36.
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Die Strömung bzw. Führung des Abgases der Zylinder 20 der Zylindergruppen 31 und 32 der Brennkraftmaschine 30 gemäß der 6 zu den jeweiligen Abgasturboladern 35 bzw. 36 der Zylindergruppen 31 bzw. 32 über die Abgaskrümmer 33 bzw. 34 erfolgt abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 30 sind die mit den diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanälen 26 zusammenwirkenden zweiten Auslassventile 22 der Zylinder 20 oder die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 oder die jeweiligen zweiten Abgaskrümmer 34, in welche die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 münden, zugeschaltet oder abgeschaltet.
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Dieses vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängige Zuschalten oder Abschalten von Auslassventilen der Zylinder 20 der Brennkraftmaschine 30 bzw. das Zuschalten oder Abschalten der mit den Auslassventilen zusammenwirkenden Auslasskanäle betrifft ausschließlich die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden zweiten Auslassventile 22, jedoch nicht die düsenartig konturierten ersten Auslasskanäle 25 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden ersten Auslassventile 21. Die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile 21 sind in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine zugeschaltet.
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Bei einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 30 oder bei einem Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine 30 oder bei einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 30 in einem unteren Drehzahlbereich derselben gelangt Abgas der Zylinder 20 der Zylindergruppen 31 und 32 ausschließlich über die ersten Abgaskrümmer 33 zu den Abgasturboladern 35 und 36. In diesen Betriebszuständen sind demnach die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden zweiten Auslassventile 22 der Zylinder 20 der Zylindergruppen 31 und 32 abgeschaltet, wohingegen ausschließlich die düsenartig konturierten ersten Auslasskanäle 25 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden ersten Auslassventile 21 zugeschaltet sind.
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Dann, wenn die Brennkraftmaschine 30 in einem Volllastbetrieb bei mittleren Drehzahlen oder hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 30 betrieben wird, kann Abgas über beide Abgaskrümmer 33 und 34 der jeweilige Zylindergruppe 31 bzw. 32 zum jeweiligen Abgasturbolader 35 bzw. 36 gelangen, wobei dann die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 der Zylinder 20 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden zweiten Auslassventile 22 der Zylinder 20 zugeschaltet sind.
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Das Zuschalten bzw. Abschalten der diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 bzw. der mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile 22 abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 30 erfolgt vorzugsweise nicht schlagartig über alle Zylinder 20, sondern zylinderselektiv nach der Zündfolge der Zylinder 20. Abhängig von der Zündfolge der Zylinder 20 der Zylindergruppen 31 und 32 kann dies alternierend zwischen den Zylindergruppen 31 und 32 erfolgen.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 30', die hinsichtlich ihres grundsätzlichen Aufbaus und ihrer Betriebsweise der Brennkraftmaschine 30 der 6 entspricht, wobei sich die Brennkraftmaschine 30' der 7 von der Brennkraftmaschine 30 der 6 ausschließlich dadurch unterscheidet, dass bei der Brennkraftmaschine 30' der 7 die Zylinder 20' gemäß 2 und nicht die Zylinder 20 gemäß 1 zum Einsatz kommen. Alternativ ist es auch möglich, bei den Brennkraftmaschinen der 6 und 7 die Zylinder 20“ der 3 einzusetzen.
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8 zeigt für die Brennkraftmaschinen der 6 und 7 weitere Details, nämlich Details einer den Abgasturboladern 35 und 36 der Zylindergruppen 31 und 32 nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage. So kann 8 entnommen werden, dass jeder Zylindergruppe 31 und 32 ein individueller bzw. separater Katalysator 38 bzw. 39 zugeordnet ist, nämlich derart, dass Abgas, welches die Turbine 37 des jeweiligen Abgasturboladers 35 und 36 verlässt, in einen der jeweiligen Zylindergruppe 31 bzw. 32 zugeordneten Katalysator 38 bzw. 39 einströmt.
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Über ein Bypassventil 40 ist es im Bereich jeder Zylindergruppe 31 bzw. 32 möglich, Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 geführt wird, an der Turbine 37 des jeweiligen Abgasturboladers 35 bzw. 36 vorbei direkt in den jeweiligen Katalysator 38 bzw. 39 zu leiten.
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Den zylindergruppenindividuellen Katalysatoren 38 und 39 ist ein gemeinsamer Endschalldämpfer 41 zugeordnet, nach dessen Durchströmen das Abgas über Abgasendrohre 42 in die Umgebung des Kraftfahrzeugs abgeleitet wird.
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 30“, die über zwei Zylindergruppen 31 und 32 aus jeweils drei Zylindern verfügt, wobei in 9 die Zylinder 20' gemäß 2 zum Einsatz kommen. Es sei darauf hingewiesen, dass in 9 auch die Zylinder 20 bzw. 20“ der 2 und 3 Verwendung finden können.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 verfügt jeder Zylinder 20' über zwei erste Auslassventile 21 mit düsenartig konturierten ersten Auslasskanälen 25 und ein zweites Auslassventil 22 mit einem diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanal 26.
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Im Bereich jeder Zylindergruppe 31 und 32 münden die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 der Zylinder 20' in jeweils einen gemeinsamen ersten Abgaskrümmer 33 münden, über den das Abgas, welches die Zylinder 20' der Zylindergruppen 31, 32 über die mit den düsenartigen Auslasskanälen 25 zusammenwirkenden Auslassventile 21 verlässt, einer Turbine 37 des jeweiligen zylindergruppenindividuellen Abgasturboladers 35 bzw. 36 zugeführt werden kann.
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9 kann ferner entnommen werden, dass im Bereich jeder Zylindergruppe 31, 32 die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 in jeweils einen gemeinsamen zweiten Abgaskrümmer 34 münden, wobei jedoch in 9 die zweiten Abgaskrümmer 34 der Zylindergruppen 31 und 32, in welche die jeweiligen zweiten diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 der Zylinder 20 münden, vereinigt sind und das Abgas, welches über die mit den zweiten diffusorartig konturierten Auslasskanälen 26 zusammenwirkenden Auslassventile 22 die Zylinder 20' der Brennkraftmaschine 30“ verlässt, über die vereinigten zweiten Abgaskrümmer 34 einem dritten Abgasturbolader 43, nämlich einer Turbine 37 desselben, zugeleitet wird, wobei es sich demnach beim dritten Abgasturbolader 43 um einen für beide Zylindergruppen 31, 32 gemeinsamen Abgasturbolader 43 handelt.
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Das Zuschalten bzw. Abschalten der diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 bzw. der mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile 22 der Zylinder 20' der Brennkraftmaschine 30“ der 9 erfolgt, wie bereits im Zusammenhang mit 6 und 7 für die Brennkraftmaschinen 30 und 30' beschrieben, also derart, dass bei einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine oder bei einem Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine oder bei einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine in einem unteren Drehzahlbereich derselben Abgas ausschließlich über die ersten Abgaskrümmer 33 und damit über die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 und damit die mit demselben zusammenwirkenden ersten Auslassventile 21 den zylindergruppenindividuellen Abgasturboladern 35, 36 zugeführt wird. Im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine 30“ der 9 bei mittleren Drehzahlen oder hohen Drehzahlen derselben werden die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden zweiten Auslassventile 22 zugeschaltet, sodass dann im Volllastbetrieb bei mittleren und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 30“ der 9 Abgas über die zweiten Abgaskrümmer 34 der Turbine 37 des gemeinsamen Abgasturboladers 43 zugeführt werden kann.
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Weitere Details der Brennkraftmaschine 30“ der 9 sind in 10 gezeigt, wobei in 10 der Übersichtlichkeit halber von jeder Zylindergruppe 31, 32 nur jeweils ein Zylinder gezeigt ist. So zeigt 10 insbesondere, dass dem gemeinsamen Abgasturbolader 43, nämlich der Turbine 37 desselben, ein Turbinenzuschaltventil 44 zugeordnet ist, über welches der Abgasturbolader 43 abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 30“ selektiv zugeschaltet oder abgeschaltet werden kann. Dann, wenn das Turbinenzuschaltventil 44 geschlossen ist, kann durch die Turbine 37 des Abgasturboladers 43 kein Abgas strömen, sodass dann Abgas ausschließlich über die zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36 geleitet werden kann. Zum Zuschalten des gemeinsamen Abgasturboladers 43 muss das Turbinenzuschaltventil 44 geöffnet sein.
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Weiterhin zeigt 10 Details einer Ladeluftströmung, wobei 10 entnommen werden kann, dass im Bereich jedes Verdichters 45 Ladeluft verdichtet und über Ladeluftleitungen 46 den Einlassventilen 23 und 24 der Zylinder 20' zugeführt werden kann. Um bei abgeschaltetem drittem Turbolader 43 ein Überströmen verdichteter Ladeluft in denselben zu vermeiden, ist dem Verdichter 45 des dritten Turboladers 43 ausgangsseitig ein Rückschlagventil 47 zugeordnet, welches verhindert, dass von den Verdichtern 45 der zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36 verdichtete Ladeluft im Bereich des Verdichters 45 des gemeinsamen Abgasturbolader 43 überströmt.
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Weitere Details der Brennkraftmaschine 30“ der 9 und 10 zeigen 11, nämlich Details einer den Abgasturboladern 35, 36 und 43 nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung, wobei in 11 dasjenige Abgas, welches über die zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36, nämlich die Turbinen 37 derselben, geführt wird, zylindergruppenindividuellen Katalysatoren 38 und 39 zugeleitet wird.
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Jedem zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36 ist dabei wiederum ein Bypassventil 40 zugeordnet, über welches das Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 strömt, an der Turbine 37 des jeweiligen zylindergruppenindividuellen Abgasturboladers 35 und 36 vorbei geleitet und über die zweiten Abgaskrümmer in Richtung auf den gemeinsamen Abgasturbolader 43 der Zylindergruppen 31 und 32 geführt werden kann.
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Gemäß 11 ist auch dem für beide Zylindergruppen 31 und 32 gemeinsamen Abgasturbolader 43 ein Bypassventil 40 zugeordnet, über welches das Abgas an der Turbine 37 desselben vorbei geleitet werden kann.
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Abgas, welches über die zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36 und anschließend über die zylindergruppenindividuellen Katalysatoren 38 und 39 geführt wird, ist anschließend über einen gemeinsamen Katalysator 48 leitbar, wobei über diesen gemeinsamen Katalysator 48 auch das Abgas geführt wird, welches über die Bypassventile 40 an den Abgasturboladern 35, 36 und 43 vorbei geführt oder über den gemeinsamen Abgasturbolader 43 geleitet wird. Beiden Zylindergruppen 31 und 32 ist wiederum ein gemeinsamer Endschalldämpfer 45 vorhanden.
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12 zeigt im Vergleich zu 11 alternative Details einer den Abgasturboladern 35, 36 und 43 nachgeschalteten Abgasnachbehandlungseinrichtung. So sind in 12 jeder Zylindergruppe 21 und 32 wiederum individuelle Katalysatoren 38 und 39 zugeordnet, die jedoch im Unterschied zur 11 als sogenannte Ringkatalysatoren ausgeführt sind, wobei Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 geleitet wird, über einen inneren Teilkatalysator 38a, 39a der Ringkatalysatoren 38 und 39 geleitet wird, wohingegen Abgas, welches über die zweiten Abgaskrümmer 34 geführt wird, über einen äußeren Teilkatalysator 38b, 39b der Ringkatalysatoren 38 und 39 geführt wird. Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 geführt wird, also über diejenigen Auslassventile 21 die Zylinder 20, 20' bzw. 20“ verlässt, die mit den düsenartig konturierten Auslasskanälen 25 zusammenwirken, wird entweder über die zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader 35 und 36 geführt oder an denselben über Bypassventile 40 vorbei geführt, jedoch in jedem Fall über den inneren Teilkatalysator 38a, 39a des jeweiligen Ringkatalysators 38 und 39 geleitet. Abgas hingegen, welches die Zylindergruppen 31 und 32 über die zweiten Abgaskrümmer 34 verlässt, also über diejenigen Auslassventile 22 der Zylinder 20, 20' und 20“ abströmt, die mit den diffusorartig konturierten Kanälen 26 zusammenwirken, wird in jedem Fall an den zylindergruppenindividuellen Abgasturboladern 35 und 36 vorbei geführt, und nach dem Passieren der äußeren Teilkatalysatoren 38b, 39b des jeweiligen Ringkatalysators 38 und 39 in Richtung auf den gemeinsamen Abgasturbolader 43 geführt. Abhängig von der Stellung des demselben zugeordneten Bypassventils 40 wird dasselbe entweder über die Turbine 37 des gemeinsamen Abgasturbolader 43 geführt oder an derselben vorbei geführt.
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In der Variante der Brennkraftmaschine 30“ der 12 sind zwei Endschalldämpfer 49 und 50 vorhanden, wobei der Endschalldämpfer 49 dem gemeinsamen Abgasturbolader 43 nachgeordnet ist, und wobei der Endschalldämpfer 50 den zylindergruppenindividuellen Abgasturboladern 35 und 36 nachgeordnet ist. Abgas, welches über die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 und demnach über die ersten Abgaskrümmer 33 von den Zylinder 20, 20' bzw. 20“ abgeleitet wird, gelangt ausschließlich über den Endschalldämpfer 50 in die Umgebung. Dasjenige Abgas hingegen, welches über die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 und demnach übe die zweiten Abgaskrümmer 34 von den Zylindern 20, 20' bzw. 20“ der Zylindergruppen 21 bzw. 32 abgeleitet wird, gelangt ausschließlich über den Endschalldämpfer 49 in die Umgebung.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 30‘‘‘ zeigt 13. Die Brennkraftmaschine 30‘‘‘ der 13 verfügt wiederum über zwei Zylindergruppen 31 und 32 aus jeweils mehreren Zylindern, wobei in 13 exemplarisch wiederum die Zylinder 20' der 2 zum Einsatz kommen und je Zylindergruppe nur jeweils ein Zylinder gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass auch für die Brennkraftmaschine 30‘‘‘ der 13 die Zylinder 20 bzw. 20“ der 1 und 2 zum Einsatz kommen können.
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Im Ausführungsbeispiel der 13 sind jeder Zylindergruppe 31, 32 zwei zylindergruppenindividuelle Abgasturbolader 51, 52 zugeordnet. Dabei ist für Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 strömt, also für Abgas, welches über düsenartig konturierte Auslasskanäle 25 von den Zylindern 20' der Zylindergruppen 31 und 32 abgeleitet wird, je Zylindergruppe der Abgasturbolader 51 vorhanden, wohingegen für Abgas, welches über die zweiten Abgaskrümmer 34 strömt, also über die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 von den Zylindern 20' der Zylindergruppen 31 und 32 geleitet wird, je Zylindergruppe der Abgasturbolader 52 vorhanden ist.
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Dann, wenn abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine 30‘‘‘ die diffusorartig konturierten Abströmkanäle 26 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile 22 abgeschaltet sind, sind auch die Abgasturbolader 52 abgeschaltet, sodass dann in diesem Betriebszuständen der Brennkraftmaschine Abgas ausschließlich über die Abgasturbolader 51 geführt wird.
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Nur dann, wenn unter Volllast der Brennkraftmaschine 30‘‘‘ in einem mittleren Drehzahlbereich und in einem hohen Drehzahlbereich derselben die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 bzw. die mit denselben zusammenwirkenden Auslassventile 22 zugeschaltet sind, strömt auch Abgas über die Abgasturbolader 52.
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Den Verdichtern 45 der Abgasturbolader 52, deren Turbinen 37 über die zweiten Abgaskrümmer 34 Abgas zuleitbar ist, sind dabei gemäß 13 Rückschlagventile 47 zugeordnet, um ein Überströmen in den Verdichtern 45 der Abgasturbolader 51 verdichteter Ladeluft in die Verdichter 45 der Abgasturbolader 52 zu vermeiden.
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14 und 15 zeigen mögliche Details der Brennkraftmaschine 30‘‘‘ der 13, welche die Abgasnachbehandlung stromabwärts der Abgasturbolader 51 und 52 betreffen. So ist in 13 jeder Zylindergruppe 31 und 32 ein Zylindergruppen individueller Katalysator 38 bzw. 39 zugeordnet, die in Übereinstimmung zum Ausführungsbeispiel der 12 als Ringkatalysatoren ausgebildet sind. Abgas, welches über die ersten Abgaskrümmer 33 und die Abgasturbolader 51 geführt wird, wird über einen mittleren Teilkatalysator 38a, 39a der Ringkatalysatoren 38 und 39 geführt, wohingegen Abgas, welches über die zweiten Abgaskrümmer 34 geführt oder ausgehend von den ersten Abgaskrümmern 33 an den Abgasturboladern 51 über Bypassventile 40 vorbei geführt wird, über äußere Teilkatalysatoren 38b, 39b der Ringkatalysatoren 38 und 39 geführt wird.
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14 kann entnommen werden, dass jedem vom jeweiligen ersten Abgaskrümmer 33 anströmbaren Abgasturbolader 51 der Zylindergruppen 31 und 32 wiederum ein Bypassventil 40 zugeordnet ist, über welches das Abgas an der jeweiligen Turbine 37 des Abgasturboladers 51 vorbei geführt werden kann. Den Abgasturboladern 52, die von den zweiten Abgaskrümmer 34 oder über die Bypassventile 40 anströmbar sind, sind keine Bypassventile, sondern vielmehr Turbinenzuschaltventile 44, zugeordnet.
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Die beiden Ringkatalysatoren 38 und 39 verlassendes Abgas gelangt gemäß 14 in einem gemeinsamen Endschalldämpfer 41 und ausgehend vom Endschalldämpfer 41 über Abgasendrohre 42 in die Umgebung.
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15 unterscheidet sich von 14 durch die konkrete Ausgestaltung der den Abgasturboladern 51 und 52 nachgeschalteten, zylindergruppenindividuellen Katalysatoren 38 und 39. In 14 sind diese Katalysatoren 38 und 39 als Ringkatalysatoren ausgeführt. In 15 hingegen sind die Katalysatoren 38 und 39 nicht als Ringkatalysatoren ausgeführt, jedoch ist jedem Abgasturbolader 51 und 52 jeder Zylindergruppe 31 und 32 ein individueller Teilkatalysator 38a, 38b, 39a, 39b des jeweiligen Katalysators 38 bzw. 39 zugeordnet.
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Den gezeigten Ausführungsbeispielen bzw. Varianten der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen ist gemeinsam, dass die Zylinder 20, 20' bzw. 20“ derselben mehrere Auslassventile 21 und 22 für Abgas aufweisen, wobei mindestens ein erstes Auslassventil 21 eines jeden Zylinders 20, 20' bzw. 20“ mit einem düsenartig konturierten ersten Auslasskanal 25 und mindestens ein zweites Auslassventil 22 eines jeden Zylinders 20, 20' bzw. 20“ mit einem diffusorartig konturierten zweiten Ausströmkanal 26 zusammen wirkt. Die Zylinder bilden mindestens eine Zylindergruppe, wobei im Bereich der oder jeder Zylindergruppe die jeweiligen Zylinder der jeweiligen Zylindergruppe zwei separate Abgaskrümmer 33 und 34 aufweisen, nämlich derart, dass die düsenartig konturierten ersten Auslasskanäle 25 der Zylinder einer jedem Zylindergruppe in einen ersten Abgaskrümmer 33 und die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26 der jeweiligen Zylinder in einen zweiten, separaten Abgaskrümmer 34 münden, wobei diese Abgaskrümmer vorzugsweise unterschiedlich große Strömungsquerschnitte für das Abgas aufweisen, nämlich derart, dass der mit dem düsenartig konturierten Auslasskanälen 25 zusammenwirkende Abgaskrümmer 33 einen relativ kleinen Strömungsquerschnitt und der mit den diffusorartig konturierten Auslasskanälen 26 zusammenwirkende Abgaskrümmer 34 einen relativ großen Strömungsquerschnitt für Abgas aufweist.
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Die Durchströmung der Abgaskrümmer 33 und 34 mit Abgas ist abhängig vom Betriebszustand bzw. Betriebspunkt der jeweiligen Brennkraftmaschine.
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Unter Teillast, in einem instationären Betrieb sowie unter Volllast bei einem niederen Drehzahlbereich der jeweiligen Brennkraftmaschine strömt Abgas ausschließlich über die düsenartig konturierten ersten Auslasskanäle 25 und damit über die ersten Abgaskrümmer 33 zu zylindergruppenindividuellen Abgaskatalysatoren.
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Bei einem Volllastbetrieb in einem mittleren oder hohen Drehzahlbereich der jeweiligen Brennkraftmaschine strömt Abgas auch über die zweiten Abgaskrümmer 34 und demnach über die diffusorartig konturierten zweiten Auslasskanäle 26, und zwar abhängig von der konkreten Ausgestaltung der Brennkraftmaschine entweder in einen gemeinsamen Abgasturbolader oder in einen zylindergruppenindividuellen Abgasturbolader.
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Bedingt dadurch, dass bei relativ geringer Belastung der Brennkraftmaschine Abgas über die düsenartig konturierten Auslasskanäle 25 und die ersten Abgaskrümmer 33 mit den relativ kleinen Strömungsquerschnitten zu Abgasturboladern geleitet wird, ist bei einer relativ geringen Belastung der Brennkraftmaschine, in welcher relativ wenig Abgas anfällt, eine Impulserhöhung des Abgases, eine Stoßaufladung im Bereich des jeweiligen Abgasturboladers und damit ein gutes Ansprechverhalten desselben gewährleistet.
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Dann, wenn bei Volllast in einem hohen Drehzahlbereich bzw. mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine viel Abgas anfällt, wird Abgas auch über die zweiten Abgaskrümmer 34, in welche die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 münden, geleitet, wobei die diffusorartig konturierten Auslasskanäle 26 und die zweiten Abgaskrümmer 34 mit den relativ großen Strömungsquerschnitten eine Impulsverringerung des Abgases bewirken und im Bereich des jeweiligen Abgasturboladers, dem Abgas über die zweiten Abgaskrümmer 34 zugeführt wird, eine Stauaufladung bereitgestellt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 20, 20', 20"
- Zylinder
- 21
- Auslassventil
- 22
- Auslassventil
- 23
- Einlassventil
- 24
- Einlassventil
- 25
- Auslasskanal
- 26
- Auslasskanal
- 30, 30', 30", 30‘‘‘
- Brennkraftmaschine
- 31
- Zylindergruppe
- 32
- Zylindergruppe
- 33
- Abgaskrümmer
- 34
- Abgaskrümmer
- 35
- Abgasturbolader
- 36
- Abgasturbolader
- 37
- Turbine
- 38
- Abgaskatalysator
- 38a, 38b
- Teilkatalysator
- 39
- Abgaskatalysator
- 39a, 39b
- Teilkatalysator
- 40
- Bypassventil
- 41
- Endschalldämpfer
- 42
- Endrohr
- 43
- Abgasturbolader
- 44
- Turbinenzuschaltventil
- 45
- Verdichter
- 46
- Ladeluftleitung
- 47
- Rückschlagventil
- 48
- Abgaskatalysator
- 49
- Endschalldämpfer
- 50
- Endschalldämpfer
- 51
- Abgaskatalysator
- 52
- Abgaskatalysator
