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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf integriertem mehrflutigen Abgaskrümmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Der Schutz von im Abgasstrang befindlichen Bauteilen vor Überhitzung spielt bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen eine wichtige Rolle. Der Bauteilschutz wird aktuell durch wenigstens eine zusätzliche Einspritzung von nicht an der eigentlichen Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine teilnehmendem Kraftstoff erreicht. Die einhergehende Anfettung des Luft-Kraftstoffgemischs reduziert die Prozesstemperatur und damit die Abgastemperatur. Dieses Vorgehen ist in Anbetracht der Bemühungen zur Kraftstoffeinsparung und somit zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Brennkraftmaschinen eine sehr ungünstige Methode, die Bauteile, welche dem Verbrennungsmotor nachgeschaltet arbeiten, wie Abgasturbolader, Abgaskatalysatoren und Lambdasonden, vor Überhitzung zu schützen.
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Ein im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer ist ein anerkanntes Mittel, um den Bauteilschutz durch Kühlung des Abgases beim Verlassen des Zylinders zu reduzieren. Erreicht wird das durch die Umströmung des Abgaskrümmers mit Kühlmittel, welches den Zylinderkopf kühlt. Maßnahmen zur Optimierung des Verfahrens beruhen auf der Anpassung der Kühlkanalführung mit dem Ziel größtmöglicher Wärmeabgabe vom Abgas an das Kühlmittel. Dafür werden aufwändige Kühlkanäle möglichst nahe an die Auslasskanäle herangeführt, um möglichst große Oberflächen mit Kühlmittel zu umspülen. So wird mehr Wärme an das Kühlmittel abgegeben. Das den Zylinderkopf verlassende Abgas weist dann eine entsprechend niedrigere Temperatur auf. Das gestattet ein magereres Gemisch, wodurch sich eine Wirkungsgradverbesserung erzielen lässt.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2004 050 923 B4 ist ein Zylinderkopf mit integriertem Abgaskrümmer bekannt, bei dem der integrierte Abgaskrümmer von einem oberen und einem unteren Kühlmantelkörper umgeben ist. Die beiden Kühlmantelkörper sind mit Kühlmittelströmungswegen in den Kühlkreislauf eingebunden. Durch versperrbare Kanäle, welche die Kühlmittelströmungswege miteinander verbinden, können im Zylinderkopf Strömungsmuster festgelegt werden, um das durch den integrierten Abgaskrümmer strömende Abgas zu kühlen.
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Es ist weiterhin bekannt, dass zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen Abgasturbolader verwendet werden. Die Abgasturbolader verdichten die von den Brennkraftmaschinen angesaugte Luft zur Erhöhung der Luftfüllung im Zylinder. Dazu werden die Abgasturbolader vom Abgas der Brennkraftmaschinen angetrieben. Die dafür zur Verfügung stehende Abgasenergie ist beim instationären Betrieb der Brennkraftmaschinen jedoch nicht konstant. Vor allem bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen Lasten steht nur wenig Abgasenergie zur Verfügung. Für ein gutes Ansprechverhalten der Abgasturbolader bei geringer Abgasenergie werden im Verhältnis kleine Abgasturbolader eingesetzt, mit denen jedoch nur ein geringer Aufladegrad erzielt werden kann. Diese im Verhältnis kleinen Abgasturbolader erreichen den Auslegungsladedruck bereits bei geringer Abgasenergie, wirken aber bei zunehmender Abgasenergie als Widerstand im Abgasstrang. Um jedoch einen großen Aufladegrad zu erreichen, müssen große Abgasturbolader verwendet werden, welche den Auslegungsladedruck bei hoher Abgasenergie bereitstellen, jedoch kein gutes Ansprechverhalten bei geringer Abgasenergie aufweisen. Diesem Zielkonflikt eines großen Aufladegrades bei gleichzeitig gutem Ansprechverhalten wird durch den Einsatz mehrerer Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine entgegnet. Dabei werden Abgasturbolader unterschiedlicher Größe verwendet, so dass das Ziel eines großen Aufladegrades mit einem großen Abgasturbolader und das Ziel eines guten Ansprechverhaltens mit einem kleinen Abgasturbolader erreicht wird. Durch eine entsprechende Anbindung der Abgasturbolader kann der Betrieb der Brennkraftmaschinen optimiert werden. Die Anbindung der unterschiedlichen Abgasturbolader an die Brennkraftmaschine erfolgt beispielsweise durch separate Abgasstränge für jeden Abgasturbolader. Dabei kann der Abgaskrümmer als getrennter beziehungsweise zweiflutiger Abgaskrümmer ausgeführt werden, wobei jeweils ein erster Abgasstrang eine erste Gruppe von Auslasskanälen mit einem ersten Abgasturbolader und ein zweiter Abgasstrang eine zweite Gruppe von Auslasskanälen mit einem zweiten Abgasturbolader verbindet, um eine Registeraufladung zu realisieren.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 028 482 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer aus zwei Abgasturboladern bestehenden Abgasturboladervorrichtung bekannt, wobei jeweils erste Auslassventile von Zylindern der Brennkraftmaschinen zu einer ersten Gruppe von Auslassventilen zusammengefasst sind und mit einem ersten Abgasstrang und folglich mit einem ersten Abgasturbolader und jeweils zweite Auslassventile von Zylindern der Brennkraftmaschinen zu einer zweiten Gruppe von Auslassventilen zusammengefasst sind und mit einem zweiten Abgasstrang und folglich mit einem zweiten Abgasturbolader verbunden sind. Dafür sind mindestens zwei Auslassventile für jeden Zylinder vorgesehen. Eine bevorzugte Ausgestaltung umfasst einen ersten, kleinen Abgasturbolader für ein spontanes Ansprechverhalten und einen zweiten, größeren, auf die Nennleistung der Brennkraftmaschine ausgelegten Abgasturbolader. Für eine für den Betrieb der Brennkraftmaschine entsprechende Verteilung des Abgases wird angeführt, dass die Steuerzeiten der Gruppen von Auslassventilen unabhängig voneinander verstellt werden können, dass die Auslassventile der beiden Gruppen mit unterschiedlichem Durchmesser versehen sind oder dass die Auslassventile einer Gruppe im Durchfluss reduzierbar oder sogar abschaltbar ausgeführt sein können.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2007 046 657 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem im Zylinderkopf integrierten geteilten Abgaskrümmer, wobei der Abgaskrümmer zwei voneinander getrennte Auslasskanalanordnungen aufweist. Dafür werden die Auslasskanäle der ersten Auslassventile jedes Zylinders und die der zweiten Auslassventile jedes Zylinders bereits im Zylinderkopf zusammengeführt. Jeder der beiden Auslasskanalanordnungen besitzt einen Anschluss am Zylinderkopf, an dem jeweils ein Abgasturbolader befestigt ist. Die getrennte Ausführung der Auslasskanalanordnungen ermöglicht eine Registeraufladung der Brennkraftmaschine. Ferner werden die Abgasmassenströme der einzelnen Auslasskanalanordnungen durch eine variable Betätigung der Auslassventile unabhängig voneinander reguliert. Weiterhin wird beschrieben, dass der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine im Zylinderkopf genutzt wird, um die Auslasskanalanordnungen zumindest bereichsweise mit Kühlmittel zu umströmen. Dadurch wird das Abgas gekühlt und der Bauteilschutz kann minimiert werden.
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Beim Kaltstart und der anschließenden Warmlaufphase steht dem Abgasturbolader weniger Abgasenergie zur Verfügung, da die noch kalte Brennkraftmaschine dem Abgas mehr thermische Energie als im betriebswarmen Zustand entzieht. Zudem entzieht der Abgasturbolader dem Abgas weiter Energie, so dass auch die notwendige Aufwärmung des nachgeschalteten Abgaskatalysators weiter verzögert wird.
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Der Nachteil der konsequenten Verbesserung der Kühlung der Auslasskanäle sowie dem integrierten und gekühlten Abgaskrümmer zur Verringerung der zum Bauteilschutz notwendigen zusätzlich einzuspritzenden Kraftstoffmenge liegt darin, dass die Aufheizphase des Abgaskatalysators beim Kaltstart und der anschließenden Warmlaufphase weiter verzögert wird. Beim Kaltstart und der anschließenden Warmlaufphase wird viel thermische Energie zum Aufheizen des Abgaskatalysators benötigt, welche aber durch die vorbenannten Maßnahmen mehr und mehr an das Kühlsystem beziehungsweise an die Abgasturbolader abgegeben wird und somit nicht zur Aufheizung des Abgaskatalysators zur Verfügung steht.
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Ohne weitere Maßnahmen erreicht der Abgaskatalysator damit zu spät seinen Zustand zur Konvertierung der Schadstoffe im Abgas in ungiftiges Kohlendioxid und Wasser, den sogenannten Light-Off-Punkt. Ein weiterer Nachteil kann aber auch der Energieverlust für die Turbine und der Dynamikverlust im unteren Drehzahlbereich sein. Wird der Light-Off-Punkt zu spät erreicht, gelangt unkonvertiertes Abgas in die Atmosphäre und führt zur Verletzung der strengen Abgasnormen. Eine bekannte Gegenmaßnahme wäre die Verstärkung der motorischen Maßnahmen zum Heizen des Abgaskatalysators. Dabei erfolgt eine weitere Spätverschiebung der Verbrennungslage bei einer Erhöhung des Massendurchsatzes durch eine erhöhte Leerlaufdrehzahl. Die Folge dieser Maßnahmen wäre ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und somit ein starker Wirkungsgradverlust im Kaltstart und Warmlauf der Brennkraftmaschine vor allem bei Kurzstreckenbetrieb des Fahrzeuges. Die positive Wirkung der Reduzierung der Kraftstoffmenge zum Bauteilschutz wird zumindest teilweise durch die negative Wirkung der motorischen Maßnahmen zum Katalysatorheizen kompensiert.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Brennkraftmaschine, welche die Nachteile eines in einem Zylinderkopf integrierten, gekühlten Abgaskrümmers auf das Kaltstartverhalten mit anschließender Warmlaufphase und das Ansprechverhalten eines Abgasturboladers beseitigt.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Brennkraftmaschine bereit, bei welcher eine dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasste Abgasenergie zur Verfügung gestellt wird. Dies wird durch eine gezielte Kühlung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases erreicht, wobei der Abgasmassenstrom durch unterschiedliche Strömungswege mit unterschiedlicher Kühlung geleitet wird. Der Abgasmassenstrom wird entweder vollständig auf einen der unterschiedlichen Strömungswege geleitet oder in einem bestimmten Verhältnis auf die unterschiedlichen Strömungswege variabel verteilt.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder verfügt über zumindest einen Zylinderkopf. In dem Zylinderkopf sind für wenigstens einen Zylinder wenigstens zwei Auslassventile vorgesehen, welche den Brennraum, der durch einen Kolben, einen Zylinderblock und den Zylinderkopf gebildet wird, von einem dem jeweiligen Auslassventil zugeordneten separaten Auslasskanal im Zylinderkopf trennen. Wenigstens ein Auslasskanal verfügt außerdem über eine Kühlmittelumströmung. Dazu ist wenigstens ein Kühlmantel vorzugsweise mehrere Kühlmäntel im Bereich der Auslasskanäle vorgesehen, welche zumindest teilweise mit der Außenwand eines jeweiligen Auslasskanals in Kontakt stehen. Die Kühlmäntel können dabei als einfache Rohrkanäle bis hin zu komplexen geometrischen Formen ausgebildet sein. Der Kühlmantel der Auslasskanäle eines Zylinders kann zusammenhängend ausgebildet sein, wobei jedoch die Auslasskanäle eines Zylinders vom gemeinsamen Kühlmantel unterschiedlich umschlossen sind oder die Außenwand eines Auslasskanals zum Kühlmantel hin aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgeführt ist. Alternativ kann der Kühlmantel auch durch einen dem jeweiligen Auslasskanal eines Zylinders zugeordneten separaten Kühlmantel gebildet werden. Demnach verfügt die Brennkraftmaschine über wenigstens einen Zylinder, welcher mit wenigstens zwei Auslassventilen ausgestattet ist und sich an jedem Auslassventil ein separater Auslasskanal anschließt. Jedem separaten Auslasskanal dieses Zylinders ist dann ein separater Kühlmantel zugeordnet. Die separaten Kühlmäntel werden durch einen gemeinsamen Versorgungskanal mit Kühlmittel versorgt. Durch eine Ausgestaltung einer Verteilungsvorrichtung kann eine passive oder auch aktive Verteilung des Kühlmittels auf die separaten Kühlmäntel erfolgen. Die Auslassventile und Auslasskanäle mit deren zugeordneten Kühlmänteln sind dabei im Zylinderkopf integriert.
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Die separaten Auslasskanäle eines Zylinders sind hinsichtlich wenigstens eines die Kühlwirkung bestimmenden Parameters unterschiedlich ausgeführt, um unterschiedliche Kühlwirkungen auf das Abgas zu erzielen, wobei wenigstens ein Auslasskanal zumindest bereichsweise von einem Kühlmantel umgeben ist. Auch die separaten Kühlmäntel der separaten Auslasskanäle eines Zylinders können zusätzlich hinsichtlich wenigstens eines die Kühlmäntel charakterisierenden Parameters unterschiedlich ausgeführt sein, um eine für den entsprechenden separaten Auslasskanal angepasste Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Diese Parameter können wenigstens ein geometrischer und/oder werkstofftechnischer Parameter sein.
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Bei dem die Kühlwirkung bestimmenden Parameter handelt es sich um eine abgasführende Länge und/oder einen abgasführenden Querschnitt und/oder eine Oberflächenrauheit und/oder eine Werkstoffwärmeleitfähigkeit und/oder eine Auslasskanalwandstärke und/oder eine Kühlleistung des Kühlmantels.
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Die separaten Auslasskanäle eines Zylinders unterscheiden sich wenigstens hinsichtlich einer abgasführenden Länge und/oder hinsichtlich eines abgasführenden Querschnitts und/oder hinsichtlich einer Oberflächenrauheit und/oder hinsichtlich des Werkstoffs und/oder hinsichtlich der Wandstärke zum umgebenden Kühlmantel und/oder hinsichtlich der Kühlmantelumhüllung und/oder hinsichtlich der Kühlmantelstruktur und/oder hinsichtlich der Kühlmittelumströmung.
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Dafür ist ein erster Auslasskanal gegenüber einem weiteren Auslasskanal eines Zylinders beispielsweise hinsichtlich seiner abgasführenden Länge kürzer und/oder hinsichtlich seines abgasführenden Querschnitts größer und/oder hinsichtlich seiner Oberflächenrauheit rauer und/oder hinsichtlich seiner Werkstoffwärmeleitfähigkeit wärmeisolierend und/oder hinsichtlich seiner Auslasskanalwandstärke dünner ausgeführt.
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Kurze Auslasskanäle mit großem Durchmesser ermöglichen große Durchflussbeiwerte mit geringen dämpfenden Eigenschaften auf dem Abgasmassenstrom. Damit wird die Beaufschlagung des angeschlossenen Abgasturboladers verbessert. Durch das für die Kühlung ungünstige Oberflächenvolumenverhältnis dieser Auslasskanalgestaltung wird gleichzeitig weniger Wärme an den Zylinderkopf und dementsprechend an das Kühlmittel abgegeben, was wiederum das Energieangebot für den Abgasturbolader erhöht, aber vor allem mehr Energie für den nachgeschalteten Abgaskatalysator zum Aufwärmen anbietet. Der kurze Auslasskanal liefert also hohe Energie für schnelles Anspringen des Abgaskatalysators und schnelles Ansprechen des Abgasturboladers im Bereich niedriger Drehzahl und/oder Last.
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Lange Auslasskanäle liefern hoh e Kühlwirkungen für niedrige Abgastemperaturen, so dass diese Auslasskanäle vorzugsweise bei hoher Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine genutzt werden. Zum Anderen wird bei geringem Durchmesser zusammen mit der erweiterten Länge des Auslasskanals eine große Oberfläche mit gleichzeitig hoher Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Dabei steigt der Wärmeübergangskoeffizient entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und mit der vergrößerten Oberfläche zusätzlich die abgegebene Wärme an den Zylinderkopf und dementsprechend an das Kühlmittel.
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Durch die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften können die Auslasskanäle entsprechend den Anforderungen an die Kühlwirkung ausgelegt werden, so dass die Auslasskanäle, welche eine im Vergleich der Auslasskanäle hohe Kühlwirkung aufweisen sollen, aus einem Werkstoff mit im Vergleich hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt sind. Dementsprechend sind die Auslasskanäle, welche eine im Vergleich geringe Kühlwirkung aufweisen sollen aus einem Werkstoff hergestellt, welcher eine geringe Wärmeleitfähigkeit, also eine wärmeisolierende Wirkung aufweist.
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Auch durch eine entsprechend angepasste Oberflächenrauheit der Kanalwand kann die Struktur der Abgasströmung im Wandbereich zum Auslasskanal beeinflusst werden. Bei entsprechender Oberflächenrauheit kann im Wandbereich Turbulenz erzeugt werden, welche zu einem besseren Wandwärmeübergang führt. Zum Anderen kann bei entsprechender Oberflächenrauheit eine Grenzschicht im Randbereich der Strömung gebildet werden, welche als Isolationsschicht wirkt und den Wandwärmeübergang verringert.
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Ein erster Kühlmantel des ersten Auslasskanals ist gegenüber einem weiteren Kühlmantel des weiteren Auslasskanals so ausgeführt, dass eine geringe Kühlung des Abgases, also eine geringere spezifische Kühlleistung erreicht wird. Dies wird beispielsweise durch eine im Vergleich kleinere Kontaktfläche des Kühlmantels mit der Außenwand des Auslasskanals und/oder durch einen geringeren Kühlmitteldurchsatz und/oder durch eine höhere Wandstärke zum Auslasskanal und/oder durch eine angepasste Oberflächenrauheit, welche den Wärmeübergang negativ beeinflusst und/oder durch eine für den Wärmeabtransport durch das Kühlmittel ungünstige Kühlmantelstruktur erreicht.
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Weiterhin ist jedem separaten Auslasskanal eines Zylinders ein separater Abgasturbolader zugeordnet, welcher durch geeignete Vorrichtungen am Zylinderkopf befestigt ist. Dazu verfügt der Zylinderkopf über wenigstens zwei Abgasflansche, an denen jeweils ein Abgasturbolader befestigt ist, welcher den Abgasturbolader mit dem jeweiligen Auslasskanal direkt oder über einen integrierten Abgaskrümmer verbindet.
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Dem ersten Auslasskanal ist ein erster Abgasturbolader mit gegenüber dem weiteren Auslasskanal zugeordneten weiteren Abgasturbolader unterschiedlichem Arbeitsbereich zugeordnet. Der dem ersten Auslasskanal zugeordnete erste Abgasturbolader erreicht seinen Auslegungsladedruck bereits bei niedriger Abgasenergie. Der weitere Abgasturbolader erreicht seinen Auslegungsladedruck bei einer im Vergleich höheren Abgasenergie als jener Abgasenergie, welche zum Erreichen des Auslegungsladedrucks des ersten Abgasturboladers notwendig ist.
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Dementsprechend trägt ein erster Abgasflansch am ersten Auslasskanal mit geringer Kühlwirkung den ersten Abgasturbolader und ein weiterer Abgasflansch am weiteren Auslasskanal mit hoher Kühlwirkung den weiteren Abgasturbolader. Dadurch wird eine Registeraufladung der Brennkraftmaschine dargestellt, bei welcher der erste Abgasturbolader als sogenannte Primärstufe ausgelegt ist, welche bei geringer Abgasenergie den Auslegungsladedruck erreicht und vorrangig bei niedriger Drehzahl und/oder niedriger Last der Brennkraftmaschine mit heißerem Abgas beaufschlagt wird, und der weitere Abgasturbolader als sogenannte Sekundärstufe ausgelegt ist, welche bei hoher Abgasenergie den Auslegungsladedruck erreicht und vorrangig bei hoher Drehzahl und/oder hoher Last der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt und mit im Vergleich kühlerem Abgas beaufschlagt wird.
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Alternativ kann eine Anordnung der Abgasturbolader verschiedener Größe so ausgeführt werden, dass die beiden Abgasturbolader im Abgasstrang nacheinander angeordnet sind, um eine mehrstufige Aufladung mit wenigstens einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe zu bilden, wobei die Hochdruckstufe den Auslegungsladedruck bei geringer Abgasenergie und die Niederdruckstufe den Auslegungsladedruck bei im Vergleich hoher Abgasenergie erreicht. Dazu sind verschiedene Anordnungen möglich. In einer einfachen Anordnung sind die beiden Abgasturbolader direkt hintereinander positioniert, wobei die beiden Abgasstränge aus dem Zylinderkopf heraus zusammengeführt werden. Je nach der Verteilung wird Abgas mit unterschiedlicher Abgasenergie durch den Abgasstrang zuerst auf die Hochdruckstufe und danach auf die Niederdruckstufe geleitet. Durch eine Umleitung kann die Hochdruckstufe für die direkte Beaufschlagung der Niederdruckstufe umgangen werden.
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Zur Unterstützung der Wirkungen der Auslasskanalgestaltungen hinsichtlich der Kühlung des Abgases wird eine unterschiedliche Kühlmittelumströmung realisiert, so dass jeweils der kurze Auslasskanal mit großem Durchmesser nicht oder nur gering von Kühlmittel umströmt und der längere Auslasskanal mit geringem Durchmesser möglichst stark von Kühlmittel umströmt wird.
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Mit entsprechend unterschiedlichen Ventilsteuerzeiten, Ventilhüben bis hin zur Stilllegung einzelner Auslassventile, besteht die Möglichkeit, die Abgasmassenströme über die jeweiligen Auslasskanäle betriebsartabhängig variabel aufzuteilen, um somit die zugeordneten Abgasturbolader anzusprechen und eine gezielte Aufwärmung eines Abgaskatalysators beim Kaltstart und der Warmlaufphase oder eine vorteilhafte Kühlung des Abgases zum Bauteilschutz bei zu hohen Abgastemperaturen zu ermöglichen. Dementsprechend wird der erste Auslasskanal mit niedriger Kühlwirkung vorzugsweise bei geringer Abgasenergie, also bei geringer Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine durchströmt. Der weitere Auslasskanal mit im Vergleich hoher Kühlwirkung wird vorzugsweise bei im Vergleich hoher Abgasenergie, also bei hoher Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine durchströmt.
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Dazu ist der Abgaskatalysator in vorteilhafter Weise wenigstens dem zum ersten Auslasskanal zugeordneten ersten Abgasturbolader nachgeschaltet. In vorteilhafter Weise sind die geteilten Abgasstränge nach den beiden Abgasturboladern zu einem gemeinsamen Abgasstrang zusammengeführt, in welchem sich dann der Abgaskatalysator befindet.
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Als Bereich niedriger Drehzahl ist der Bereich bei Leerlaufdrehzahl oder angehobener Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine zu verstehen. Diese liegt bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen im Bereich von 600 bis 2500 Kurbelwellenumdrehungen in der Minute. Als Bereich hoher Drehzahl ist der Bereich um die Nenndrehzahl einer Brennkraftmaschine zu verstehen. Dieser Bereich liegt bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen zwischen 3000 und 8000 Kurbelwellenumdrehungen in der Minute. Als Bereich niedriger Last ist der Bereich der Last, welcher sich bei Leerlaufdrehzahl ergibt bis hin zu einem effektiven Verbrennungsmitteldruck von 2 bis 4 bar zu verstehen. Als Bereich hoher Last ist der Bereich um die Volllast, welcher sich beim vorrangig ungedrosselten, aufgeladenen beziehungsweise überbarometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine ergibt, zu verstehen. Dieser kann je nach Art der Brennkraftmaschine zwischen 8 und 30 bar liegen.
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Für den Einsatz in Mehrzylinderbrennkraftmaschinen werden jeweils die ersten Auslasskanäle und die jeweils weiteren Auslasskanäle eines Zylinders bereits im Zylinderkopf zusammengeführt und bilden eine Auslasskanalanordnung, bei der jeweils die ersten Auslasskanäle zu einem ersten Abgaskrümmerteil und die weiteren Auslasskanäle zu einem weiteren Abgaskrümmerteil zusammengeführt werden. Die Abgaskrümmerteile mit voneinander getrennten Abgasströmungswegen werden zu einem mehrflutigen in den Zylinderkopf integrierten Abgaskrümmer zusammengefasst. Als mehrflutig ist dabei die unbestimmte Anzahl der Strömungswege des Abgases durch den Abgaskrümmer zu verstehen. Die Anzahl der Strömungswege wird durch die Anzahl der unterschiedlichen Auslasskanäle für jeden Zylinder bestimmt. Durch die Integration des Abgaskrümmers werden darüber hinaus sehr kurze Strömungswege von den Zylindern zu den Abgasturboladern gewährleistet, so dass weniger Strömungsverluste entstehen. Die Kühlmäntel der Auslasskanäle können sich dann auch über die Abgaskrümmerteile des integrierten Abgaskrümmers erstrecken und somit einen integrierten, mehrflutigen und gekühlten Abgaskrümmer bilden.
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Die Kühlmäntel der Auslasskanäle können bei einer Mehrzylinderanordnung zylinderindividuell mit Kühlmittel durchströmt werden, um eine zylinderindividuelle Kühlung des Abgasmassenstromes zu ermöglichen. Durch eine geeignete zylinderindividuelle Verteilung des Kühlmittels auf die Kühlmäntel des jeweiligen Zylinders kann die Kühlung des Abgases eines jeden Zylinders unabhängig von den weiteren Zylindern gesteuert werden. Werden separate Kühlmäntel für die separaten Auslasskanäle eines Zylinders verwendet, so ergibt sich sogar eine auslasskanalindividuelle Steuerung der Kühlung des in dem jeweiligen Auslasskanal geführten Abgasmassenstroms. Alternativ können die Kühlmäntel aber auch zu Kühlmantelanordnungen zusammengefasst werden, wobei die Kühlmäntel aller Auslasskanäle der Zylinder zusammengefasst werden. Werden separate Kühlmäntel für die Auslasskanäle eines Zylinders verwendet, so werden die ersten Kühlmäntel wenigstens zweier Zylinder zu einer ersten Kühlmantelanordnung und die weiteren Kühlmäntel zu einer weiteren Kühlmantelanordnung zusammengefasst. Die Kühlmittelanordnungen können dann auch die Abgaskrümmerteile zumindest bereichsweise umschließen.
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Die Steuerung des zu den Kühlmänteln beziehungsweise zu den Kühlmantelanordnungen geleiteten Kühlmittels kann mittels Ventilen erfolgen, welche die Durchflussmenge des Kühlmittels durch die Kühlmäntel verändern. Alternativ sind auch Drosseln oder andere geometrische Einbauten möglich, mit denen sich die Verteilung des Kühlmittels beeinflussen lässt.
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Durch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist es möglich, den Bedarf an Wärme im Abgasstrang betriebspunktabhängig zu decken, so dass den Betriebsarten, wie das Heizen des Abgaskatalysators, Beschleunigung oder Volllastbetrieb, das für den jeweiligen Fall wirkungsgradoptimale Wärmeangebot bereitgestellt wird. Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit im Zylinderkopf integriertem mehrflutigen Abgaskrümmer bereit, so dass eine betriebszustandsindividuelle variable Verteilung des Abgases eines Zylinders erfolgt, wobei das Abgas für eine geringe Abkühlung durch einen ersten Auslasskanal und für eine hohe Abkühlung durch einen weiteren Auslasskanal eines Zylinders geleitet wird. Das Abgas wird dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltung während niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorrangig durch einen ersten Auslasskanal mit geringer Kühlwirkung und während hoher Drehzahlen der Brennkraftmaschine vorrangig durch einen weiteren Auslasskanal mit hoher Kühlwirkung geleitet. Hierdurch wird eine möglichst große Wärmemenge für den Betriebszustand zum Heizen des Abgaskatalysators und ein entsprechend dynamisches Ansprechverhalten des Abgasturboladers beziehungsweise eine möglichst geringe Wärmemenge bei höheren Drehzahlen und Lasten zur Verringerung der für den Bauteilschutz einzuspritzenden Kraftstoffmenge bereitgestellt. Zusätzliche motorische Maßnahmen zum Katalysatorheizen können so reduziert und damit der Kraftstoffverbrauch im Kaltstart und dem anschließenden Warmlauf reduziert werden. Im Ergebnis wird der Kraftstoffverbrauch in mehreren Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gesenkt und die Effizienz einer Aufladung gesteigert.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In der dazugehörigen Figur zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines Zylinderkopfes mit integriertem mehrflutigen Abgaskrümmer und nachgeschalteten Abgasturboladern und Katalysator.
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Eine nicht dargestellte erfindungsgemäße Vierzylinderbrennkraftmaschine vertilgt über einen Zylinderkopf (1), in welchem zwei Auslassventile (2A, 3A, 2B, 3B, 2C, 3C, 2D, 3D) für jeden Zylinder (4A, 4B, 4C, 4D) aufgenommen sind. Jedem der Auslassventile (2A, 3A, 2B, 3B, 2C, 3C, 2D, 3D) ist ein separater Auslasskanal (5A, 6A, 5B, 6B, 5C, 6C, 5D, 6D) zugeordnet, wobei ein für jeden Zylinder (4A, 4B, 4C, 4D) erster Auslasskanal (5A, 5B, 5C, 5D) gegenüber einem zweiten Auslasskanal (6A, 6B, 6C, 6D) hinsichtlich seiner Kanallänge länger und hinsichtlich seines Strömungsquerschnitts kleiner ausgelegt ist. Jedem ersten Auslasskanal (5A, 5B, 5C, 5D) ist ein erstes Auslassventil (2A, 2B, 2C, 2D) und jedem zweiten Auslasskanal (6A, 6B, 6C, 6D) ein zweites Auslassventil (3A, 3B, 3C, 3D) zugeordnet. Jedem ersten Auslasskanal (5A, 5B, 5C, 5D) ist zudem ein separater erster Kühlmantel (7A, 7B, 7C, 7D) zugeordnet, welcher gegenüber einem jeden zweiten Auslasskanal (6A, 6B, 6C, 6D) separat zugeordneten zweiten Kühlmantel (8A, 8B, 8C, 8D) geringere spezifische Kühlleistung aufweist. Die Kühlmäntel (7A, 8A, 7B, 8B, 7C, 8C, 7D, 8D) jedes Auslasskanals (5A, 6A, 5B, 6B, 5C, 6C, 5D, 6D) sind separat ansteuerbar. Die ersten Auslasskanäle (5A, 5B, 5C, 5D) und die zweiten Auslasskanäle (6A, 6B, 6C, 6D) werden innerhalb des Zylinderkopfes (1) zu einem zweiflutigen Abgaskrümmer (9) zusammengeführt, wobei alle ersten Auslasskanäle (5A, 5B, 5C, 5D) in ein erstes Abgassammelrohr (10) und alle zweiten Auslasskanäle (6A, 6B, 6C, 6D) in ein zweites Abgassammelrohr (11) münden. Diese beiden Abgassammelrohre (10, 11) des zweiflutigen Abgaskrümmers (9) werden dann zu einem ersten und zweiten Abgasflansch (12, 13) an der Oberfläche des Zylinderkopfes (1) geführt. Über die beiden Abgasflansche (12, 13) sind zwei Abgasturbolader (14, 15) mit dem jeweiligen Abgassammelrohr (10, 11) des zweiflutigen Abgaskrümmers (12) verbunden, wobei ein als Primärstufe ausgelegter erster Abgasturbolader (14) über einen ersten Abgasflansch (12) mit dem ersten Abgassammelrohr (10) und ein als Sekundärstufe ausgelegter zweiter Abgasturbolader (15) über einen zweiten Abgasflansch (13) mit dem zweiten Abgassammelrohr (11) verbunden ist. Den beiden Abgasturboladern (14, 15) ist ein Abgaskatalysator (16) nachgeschaltet, der sowohl mit dem ersten Abgasturbolader (14) als auch mit dem zweiten Abgasturbolader (15) verbunden ist.
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Die in diesem Beispiel angeführte erfindungsgemäße Vierzylinderbrennkraftmaschine verfügt demnach über zwei bis zum Abgaskatalysator (16) getrennte Strömungswege. Die Strömungswege werden im Zylinderkopf (1) durch zwei unterschiedliche Auslasskanalanordnungen, wobei jeweils für jeden Zylinder (4A, 4B, 4C, 4D) ein erstes Auslassventil (2A, 2B, 2C, 2D) mit einem ersten Auslasskanal (5A, 5B, 5C, 5D) beziehungsweise ein zweites Auslassventil (3A, 3B, 3C, 3D) mit einem zweiten Auslasskanal (6A, 6B, 6C, 6D) verbunden ist, und aus der Zusammenführung der jeweils gleichen Auslasskanalanordnungen der einzelnen Zylinder (4A, 4B, 4C, 4D) zu einem ersten Abgassammelrohr (10) und einem zweiten Abgassammelrohr (11) zu einem in den Zylinderkopf (1) integrierten zweiflutigen Abgaskrümmer (9) gebildet. Außerhalb schließen sich über zwei Abgasflansche (12, 13) zwei unterschiedliche Abgasturbolader (14, 15) an. Nach den beiden Abgasturboladern (14, 15) werden die getrennten Strömungswege zusammengeführt, um Abgas zum nachgeschalteten Abgaskatalysator (16) zu leiten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2A, 2B, 2C, 2D
- erstes Auslassventil
- 3A, 3B, 3C, 3D
- zweites Auslassventil
- 4A, 4B, 4C, 4D
- Zylinder
- 5A, 5B, 5C, 5D
- erster Auslasskanal
- 6A, 6B, 6C, 6D
- zweiter Auslasskanal
- 7A, 7B, 7C, 7D
- erster Kühlmantel
- 8A, 8B, 8C, 8D
- zweiter Kühlmantel
- 9
- zweiflutiger Abgaskrümmer
- 10
- erstes Abgassammelrohr
- 11
- zweites Abgassammelrohr
- 12
- erster Abgasflansch
- 13
- zweiter Abgasflansch
- 14
- erster Abgasturbolader
- 15
- zweiter Abgasturbolader
- 16
- Abgaskatalysator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004050923 B4 [0004]
- DE 102004028482 A1 [0006]
- DE 102007046657 A1 [0007]
