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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind aus dem Serienfahrzeugbau hinlänglich bekannt. Eine solche Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum auf. Dem Brennraum sind wenigstens zwei Auslasskanäle zum Abführen von Abgas aus dem Brennraum zugeordnet. Üblicherweise sind die Auslasskanäle durch einen Zylinderkopf der beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine begrenzt, wobei der Zylinderkopf mit einem Kurbelgehäuse verbunden ist.
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Die Verbrennungskraftmaschine umfasst auch wenigstens eine Turbine eines Abgasturboladers, wobei der Turbine das Abgas zuführbar ist. Der Abgasturbolader dient dazu, die Verbrennungskraftmaschine aufzuladen. Dies bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine mittels des Abgasturboladers mit Luft zu versorgen ist, welche gegenüber dem Umgebungsdruck verdichtet ist. Dadurch können bei Verbrennungskraftmaschinen besonders geringe Hubvolumina und gleichzeitig hohe spezifische Leistungen und Drehmomente realisiert werden. Die Realisierung eines geringen Hubvolumens, beispielsweise aufgrund einer nur geringen Anzahl an Brennräumen führt dazu, dass eine nur geringe innere Reibung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden kann. Gleichzeitig weist eine solche, nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltete Verbrennungskraftmaschine ein nur sehr geringes Eigengewicht auf.
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Durch die verstärkte Hubraumreduzierung moderner Verbrennungskraftmaschinen besteht die Notwendigkeit, Aufladegrade, d. h. von den Abgasturboladern bereitgestellte Ladedrücke zu erhöhen. Zur Realisierung schneller Ansprechverhalten bei geringen Motordrehzahlen sowie die Realisierung einer entsprechenden Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine fordern hohe Ladedrücke bei geringen Luftdurchsätzen sowie gleichzeitig gute Aufladewirkungsgrade bei hohen Luftdurchsätzen.
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Herkömmliche Festgeometrie-Abgasturbolader sind wegen ihrer festen Turbinenbaugröße Beschränkungen unterworfen, was dazu führt, dass meist nur eine der beiden Forderungen (gutes Ansprechverhalten oder gute Aufladewirkungsgrade bei hohen Luftdurchsätzen) befriedigend erfüllt werden kann. Durch eine entsprechende Gestaltung des Abgaskrümmers kann ebenfalls eine Beeinflussung der Aufladecharakteristik bewirkt werden. Hierzu wird der Abgaskrümmer beispielsweise mehr oder weniger voluminös gestaltet, um eine Stau- oder Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren und beispielweise den oberen oder unteren Durchsatzbereich hinsichtlich der Aufladewirkung zu betonen. Auch hierbei können bei fester Abgaskrümmergeometrie nicht beide Durchsatzbereiche wirkungsgradgünstig bedient werden. Letztendlich führt in einer Fahrzeuganwendung jede unerwünschte Beschränkung der Vorlastkurve der Verbrennungskraftmaschine zu Kompromissen bei der Abstimmung von Getriebestufen eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Getriebes, was einer Optimierung des CO2-Ausstoßes hinsichtlich dessen Minimierung entgegensteht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb des Abgasturboladers in unterschiedlichen Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb des Abgasturboladers bei unterschiedlichen Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster der Auslasskanäle mit einer ersten Flut zum Führen von Abgas zu der Turbine fluidisch verbunden ist. Der zweite Auslasskanal ist mit einer zweiten Flut zum Führen von Abgas zu der Turbine fluidisch verbunden.
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Ferner ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, welche wenigstens ein erstes Stellelement sowie wenigstens ein zweites Stellelement umfasst. Das erste Stellelement ist dem ersten Auslasskanal zugeordnet, wobei das zweite Stellelement dem zweiten Auslasskanal zugeordnet ist. Mittels des ersten Stellelements ist der erste Auslasskanal fluidisch versperrbar und fluidisch freigebbar, während der zweite Auslasskanal mittels des zweiten Stellelements fluidisch versperrbar und fluidisch freigebbar ist.
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Ist der jeweilige Auslasskanal mittels des entsprechenden Stellelements fluidisch versperrt, so kann kein Abgas aus dem Brennraum in den Auslasskanal und entsprechend weiter in die mit dem Auslasskanal fluidisch verbundene Flut einströmen. Ist der entsprechende Auslasskanal freigegeben, so kann Abgas aus dem Brennraum in den entsprechenden Auslasskanal und weiter vom Auslasskanal in die mit diesem fluidisch verbundene Flut einströmen.
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Die Stelleinrichtung ist nun zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand umschaltbar. Im ersten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben beider Auslasskanäle durch die jeweiligen Stellelemente. Dies bedeutet, dass die Stellelemente die zugehörigen Auslasskanäle zumindest zeitweise freigeben, so dass im ersten Betriebszustand Abgas aus dem Brennraum in den ersten Auslasskanal und weiter in die erste Flut sowie Abgas aus dem Brennraum in den zweiten Auslasskanal und weiter in die zweite Flut strömen kann.
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Im zweiten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben des ersten Auslasskanals durch das erste Stellelement und ein Freigeben des zweiten Auslasskanals durch das zweite Stellelement unterbleibt. Dies bedeutet, dass das erste Stellelement den ersten Auslasskanal im zweiten Betriebszustand zumindest zeitweise freigibt, so dass Abgas aus dem Brennraum in den ersten Auslasskanal und weiter in die erste Flut strömen kann. Im Rahmen des zweiten Betriebszustands bleibt das zweite Stellelement geschlossen, so dass der zweite Auslasskanal fluidisch versperrt bleibt. Dadurch kann im zweiten Betriebszustand kein Abgas aus dem Brennraum in den zweiten Auslasskanal und weiter in die zweite Flut einströmen.
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Durch diese wahlweise Einstellung der Betriebszustände ist eine besonders bedarfsgerechte Versorgung der Turbine mit Abgas beispielsweise in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebsbereichen und somit in Abhängigkeit von unterschiedlichen Abgasmassenströmen und/oder Abgasvolumenströmen möglich. Der Abgasturbolader bzw. dessen Turbine kann durch das bedarfsgerechte Einstellen der Betriebszustände sehr gut an unterschiedliche Durchsatzbereiche der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden, woraus eine für das Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine sehr vorteilhafte Drehmomentkurve resultiert bei gleichzeitiger Realisierung eines nur sehr geringen Kraftstoffverbrauchs.
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Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist es somit möglich, einerseits, insbesondere bei geringen Drehzahlen und/oder Abgasdurchsätzen, ein sehr gutes Ansprechverhalten der Turbine zu realisieren, so dass das sogenannte Turboloch vermieden oder zumindest sehr gering gehalten werden kann. Andererseits ist es möglich, bei hohen Drehzahlen und/oder bei hohen Abgasdurchsätzen hohe Durchsatzparameter der Turbine zu realisieren, so dass auch bei hohen Drehzahlen und/oder bei hohen Abgasdurchsätzen ein wirkungsgradgünstiger Betrieb der Turbine realisierbar ist. Dies führt zu einem sehr guten Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders hohen Nennleistung. Die Verbrennungskraftmaschine weist somit ein sehr gutes Anfahrverhalten, eine sehr gute Elastizität sowie einen sehr guten Drehmomentenaufbau auf.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das erste Stellelement ein erstes, zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares und den Brennraum in der Schließstellung teilweise begrenzendes Gaswechselventil der Verbrennungskraftmaschine, wobei das zweite Stellelement ein zweites, zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares und den Brennraum in der Schließstellung teilweise begrenzendes Gaswechselventil der Verbrennungskraftmaschine ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei den Stellelementen um Gaswechselventile in Form von Auslassventilen, welche zur bedarfsgerechten Beschickung der Fluten mit Abgas im Rahmen des jeweiligen Betriebszustands verwendet werden. Zusätzliche Stellelemente zum fluidischen Freigeben und Versperren der Auslasskanäle sind somit nicht vorgesehen und nicht erforderlich, so dass das Gewicht, die Teileanzahl und die Kosten der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist im ersten Betriebszustand eine Stauaufladung der Verbrennungskraftmaschine und im zweiten Betriebszustand eine Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine eingestellt. Hierdurch ist eine bedarfsgerechte und an einen jeweils aktuell vorliegenden Betriebszustand angepasste Einstellung hinsichtlich der Aufladung der Verbrennungskraftmaschine realisierbar. Vorzugsweise wird die Stoßaufladung bei niedrigen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, d. h. in geringen Drehzahlbereichen eingestellt, während die Stauaufladung in demgegenüber höheren Drehzahlbereichen, d. h. bei demgegenüber höheren Drehzahlen eingestellt wird. Durch das Einstellen der Stoßaufladung können die Pulsationen des Abgases zum effizienten und effektiven Antreiben der Turbine und somit zur Darstellung hoher Aufladegrade genutzt werden, während sich durch das Einstellen der Stoßaufladung bei demgegenüber höheren Drehzahlen sehr hohe Durchsatzparameter und ein daraus resultierender, wirkungsgradgünstiger Betrieb der Turbine realisieren lassen. Bei der Verbrennungskraftmaschine ist nicht nur eine günstige Umschaltmöglichkeit für den Wechsel zwischen Stoß- und Stauaufladung, sondern zusätzlich auch eine sehr gute Anpassung der Beaufschlagung der Turbine mit Abgas an unterschiedliche Durchsatzbereiche darstellbar.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein weiterer Brennraum der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, welchem wenigstens zwei weitere Auslasskanäle zum Abführen von Abgas aus dem weiteren Brennraum zugeordnet sind. Ein erster der weiteren Auslasskanäle ist mit der ersten Flut fluidisch verbunden, während der zweite der weiteren Auslasskanäle mit der zweiten Flut fluidisch verbunden ist.
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Die Stelleinrichtung weist ein drittes Stellelement und ein viertes Stellelement auf. Das dritte Stellelement ist dem ersten der weiteren Auslasskanäle zugeordnet, wobei der erste der weiteren Auslasskanäle mittels des dritten Stellelements fluidisch versperrbar und freigebbar ist. Das vierte Stellelement ist dem zweiten der weiteren Auslasskanäle zugeordnet, wobei der zweite der weiteren Auslasskanäle mittels des vierten Stellelements fluidisch versperrbar und freigebbar ist. Im ersten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben beider weiterer Auslasskanäle durch das dritte und das vierte Stellelement, so dass im ersten Betriebszustand Abgas auch in die weiteren Auslasskanäle einströmen kann. Dadurch kann auch Abgas aus dem weiteren Brennraum über den dritten Auslasskanal in die erste Flut und über den vierten Auslasskanal in die zweite Flut einströmen.
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Im zweiten Betriebszustand erfolgt ein zumindest zeitweises Freigeben des zweiten der weiteren Auslasskanäle durch das vierte Stellelement, wobei im zweiten Betriebszustand ein Freigeben des ersten der weiteren Auslasskanäle durch das dritte Stellelement unterbleibt. Dies bedeutet, dass im zweiten Betriebszustand das vierte Stellelement zumindest zeitweise geöffnet wird, so dass im zweiten Betriebszustand Abgas aus dem weiteren Brennraum über den zweiten der weiteren Auslasskanäle in die zweite Flut einströmen kann. Der erste der weiteren Auslasskanäle bleibt im zweiten Betriebszustand mittels des dritten Stellelements fluidisch versperrt, so dass kein Abgas aus dem weiteren Brennraum über den dritten Auslasskanal in die erste Flut einströmen kann.
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Hierdurch ist es möglich, die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine, welche beispielsweise als Zylinder ausgebildet sind, besonders vorteilhaft miteinander fluidisch zu verschalten, so dass in der Folge eine besonders vorteilhafte Stoßaufladung bzw. Stauaufladung realisierbar ist. Die Brennräume sind insbesondere derart fluidisch miteinander verschaltet, dass sich die Abgaspulsationen nicht oder nur sehr geringfügig gegenseitig beeinträchtigen, was zu einer besonders effektiven Aufladung führt. So ist es möglich, beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen hinsichtlich der Ladungswechsel-Interaktion günstig zueinander liegende Brennräume im zweiten Betriebszustand durch lediglich einen oder einen Teil ihrer Auslasskanäle in einer jeweiligen der Fluten zusammenzufassen, während die restlichen Auslasskanäle dieser Zylinder nicht mit Abgas beschickt werden, da die zugehörigen Stellelemente deaktiviert sind, d. h. geschlossen sind und nicht geöffnet werden. Bei hohen Drehzahlen werden im ersten Betriebszustand alle Stellelemente aktiviert, d. h. zumindest zeitweise geöffnet, so dass aus allen Auslasskanälen Abgas in die entsprechend Fluten einströmen kann. Hierdurch kann die Turbine besonders bedarfsgerecht mit Abgas versorgt werden.
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Um den Bauraumbedarf, die Kosten und das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine besonders gering zu halten, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das dritte Stellelement ein drittes, zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares und den weiteren Brennraum in der Schließstellung teilweise begrenzendes Gaswechselventil der Verbrennungskraftmaschine und das vierte Stellelement ein viertes, zwischen einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung verstellbares und den weiteren Brennraum in der Schließstellung teilweise begrenzendes Gaswechselventil der Verbrennungskraftmaschine ist. Dies bedeutet, dass die bei der beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine ohnehin vorhandenen Gaswechselventile in Form der Auslassventile zum Darstellen des dritten und vierten Stellelements verwendet werden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Turbine einen Turbinengehäuse umfasst, in welchem ein Turbinenrad aufgenommen ist, wobei das Turbinengehäuse wenigstens zwei in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang zumindest teilweise hintereinander angeordnete Strömungssegmente aufweist. Dabei ist eines der Strömungssegmente mit der ersten Flut und das zweite Strömungssegment mit der zweiten Flut fluidisch verbunden. Dies bedeutet, dass das die erste Flut durchströmende Abgas von der ersten Flut in das erste Strömungssegment einströmen kann, wobei das Abgas dann über das erste Strömungssegment dem Turbinenrad zugeführt wird. Das Abgas kann das Turbinenrad anströmen und dadurch antreiben.
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Entsprechend kann das die zweite Flut durchströmende Abgas in das zweite Strömungssegment überströmen, wobei das Abgas über das zweite Strömungssegment dem Turbinenrad zugeführt wird. Die Turbine ist hierbei als sogenannte Mehrsegment-Turbine ausgestaltet, mittels welcher das Abgas zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine, d. h. zum Verdichten der Luft besonders effektiv und effizient genutzt werden kann.
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Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen kann die Stoßaufladung im zweiten Betriebszustand besonders vorteilhaft durchgeführt werden, da den Brennräumen beim Ausschieben des Abgases aus dem entsprechenden Brennraum lediglich eine der Fluten zur Verfügung steht, in die das Abgas ausgeschoben werden kann.
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Im ersten Betriebszustand und insbesondere bei hohen Drehzahlen kann die Stauaufladung besonders vorteilhaft realisiert werden, da jedem Brennraum beim Ausschieben von Abgas beide bzw. alle Fluten und bei entsprechender Ausführungsform beide bzw. alle Strömungssegmente der Turbine zur Verfügung stehen, in die das Abgas ausgeschoben werden kann.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von einem Volumenstrom des Abgases einstellbar ist. Mit anderen Worten erfolgt die Einstellung des entsprechenden Betriebszustands der Stelleinrichtung vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Volumenstrom des Abgases, welche beispielsweise durch den Druck und die Temperatur des Abgases stromab des Brennraums bzw. der Brennräume und stromauf der Turbine bestimmt wird. Vorzugsweise erfolgt dabei die Einstellung des Betriebszustands in Abhängigkeit von dem Volumenstrom des die Fluten stromab der Auslasskanäle durchströmenden Abgases bzw. nachdem eine Zusammenführung des Abgases aus den wenigstens zwei Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine bereits erfolgt ist. Der Volumenstrom bezieht sich somit auf einen Volumenstrom, welcher in der entsprechenden Flut und somit nach Zusammenführung des Abgases aus den einzelnen, über die Flut miteinander verbundenen Auslasskanälen vorliegt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit vier Brennräumen in Form von Zylindern, welchen jeweils zwei Auslasskanäle zugeordnet sind, die teilweise mit einer ersten Flut und teilweise mit einer zweiten Flut fluidisch verbunden sind, wobei eine zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbare Stelleinrichtung mit Stellelementen vorgesehen ist, mittels welcher eine Versorgung der jeweiligen Flut mit Abgas bedarfsgerecht einstellbar ist, und wobei eine Turbine mit zwei Strömungssegmenten zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine, welche gemäß 2 sechs Brennräume in Form von Zylindern umfasst, wobei die Turbine drei Strömungssegmente aufweist;
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3 eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 2, mit einer von 2 unterschiedlichen fluidischen Verschaltung der Zylinder;
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4 eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 2 und 3, mit einer von 2 und 3 unterschiedlichen fluidischen Verschaltung der Zylinder;
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5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine sechs Brennräume in Form von Zylindern aufweist und wobei die Turbine zwei Strömungssegmente aufweist;
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6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine acht Brennräume in Form von Zylindern sowie zwei Turbinen zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine umfasst; und
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7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 6, wobei lediglich eine Turbine zum Aufladen der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 zum Antreiben eines Kraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst vier Brennräume in Form von Zylindern 12a–d.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 14 auf, über welchen die Verbrennungskraftmaschine 10 Luft ansaugt. Im Ansaugtrakt 14 ist ein Verdichter 16 eines Abgasturboladers 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Der Verdichter 16 weist ein in 1 nicht erkennbares Verdichtergehäuse auf, in welchem ein Verdichterrad 20 des Verdichters 16 um eine Drehachse relativ zum Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen ist. Das Verdichterrad 20 dient zum Verdichten der angesaugten Luft.
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Infolge der Verdichtung der Luft wird diese erwärmt. Um besonders hohe Aufladegrade darzustellen, wird die Luft mittels eines im Ansaugtrakt 14 angeordneten Ladeluftkühlers 22 gekühlt, bevor sie schließlich einem Ladeluftverteiler 24 im Ansaugtrakt 14 zugeführt wird. Vom Ladeluftverteiler 24 wird die verdichtete Luft auf die einzelnen Zylinder 12a–d verteilt. Die Luft strömt vom Ladeluftverteiler 24 in Einlasskanäle 26 und von diesen in die jeweiligen Zylinder 12a–d.
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Um das Einströmen der Luft in die Zylinder 12a–d zu steuern, sind in 1 sehr schematisch erkennbare Gaswechselventile auf der Einlassseite vorgesehen, welche als Einlassventile 28 bezeichnet sind. Den Einlassventilen 28 ist eine Einlassnockenwelle zugeordnet, mittels welcher die Einlassventile 28 betätigt und dadurch zeitweise geöffnet werden. Infolge des Öffnens geben die Einlassventile 28 die Einlasskanäle 26 frei, so dass die Luft von den Einlasskanälen 26 in den jeweiligen Zylinder 12a–d einströmen kann.
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In den jeweiligen Zylindern 12a–d wird die Luft mit einem vorliegend flüssigen Kraftstoff verbrannt. Daraus resultiert Abgas, welches mittels eines jeweiligen, im jeweiligen Zylinder 12a–d aufgenommenen Kolbens aus dem jeweiligen Zylinder 12a–d ausgeschoben wird.
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Jedem der Zylinder 12a–d ist jeweils ein erster Auslasskanal 30a–d sowie jeweils ein zweiter Auslasskanal 32a–d zugeordnet. Die Einlasskanäle 26 und die Auslasskanäle 30a–d, 32a–d sind beispielsweise durch einen Zylinderkopf der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine begrenzt. Die jeweiligen Auslasskanäle 30a–d, 32a–d sind fluidisch mit dem entsprechend zugeordneten Zylinder 12a–d verbunden.
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Dem jeweiligen ersten Auslasskanal 30a–d ist jeweils ein erstes Stellelement in Form eines ersten Auslassventils 34a–d zugeordnet. Dem jeweiligen zweiten Auslasskanal 32a–d ist jeweils ein zweites Stellelement in Form eines zweiten Auslassventils 36a–d zugeordnet.
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Den Auslassventilen 34a–d, 36a–d ist wenigstens eine Auslassnockenwelle zugeordnet, mittels welcher die Auslassventile 34a–d, 36a–d aktivierbar, d. h. betätigbar sind. Infolge einer solchen Betätigung der Auslassventile 34a–d, 36a–d werden diese zumindest zeitweise geöffnet, wodurch der entsprechend zugeordnete Auslasskanal 30a–d und/oder 32a–d fluidisch freigegeben wird. Über einen solchen, fluidisch freigegebenen Auslasskanal 30a–d und/oder 32a–d kann das Abgas aus dem entsprechenden Zylinder 12a–d ausströmen. Werden die Auslassventile 34a–d, 36a–d nicht aktiviert, d. h. betätigt, so befinden sie sich in einer Schließstellung, in der der jeweils zugeordnete Auslasskanal 30a–d, 32a–d fluidisch versperrt ist. Mit anderen Worten sind die Auslassventile 34a–d, 36a–d zwischen einer jeweiligen Offenstellung, in der der entsprechende Auslasskanal 30a–d, 32a–d fluidisch freigegeben ist und einer jeweiligen Schließstellung, in der der entsprechend Auslasskanal 30a–d, 32a–d fluidisch versperrt ist, bewegbar. Befindet sich das jeweilige Auslassventil 34a–d, 36a–d in seiner Schließstellung, so kann entsprechend kein Abgas aus dem Brennraum 12a–d in den fluidisch versperrten Auslasskanal 30a–d, 32a–d einströmen.
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Die jeweiligen ersten Auslasskanäle 30a–d sind mit einer ersten Flut 38 fluidisch verbunden. Mit anderen Worten sind die ersten Auslasskanäle 30a–d zur ersten Flut 38 zusammengeführt, so dass das jeweilige, die ersten Auslasskanäle 30a–d durchströmende Abgas in die erste Flut 38 einströmt. Entsprechend dazu sind die jeweiligen zweiten Auslasskanäle 32a–d mit einer zweiten Flut 40 fluidisch verbunden. Mit anderen Worten sind die zweiten Auslasskanäle 32a–d zur zweiten Flut 40 fluidisch zusammengeführt, so dass das in die jeweiligen zweiten Auslasskanäle 32a–d strömende Abgas in die zweite Flut 40 überströmt.
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Die Auslasskanäle 30a–d sind an einer Zusammenführstelle 39 zur ersten Flut 30 zusammengeführt, während die Auslasskanäle 32a–d an einer Zuführstelle 41 zur zweiten Flut 40 zusammengeführt sind.
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Die Auslasskanäle 30a–d, 32a–d und die Fluten 38, 40 sind dabei einem Abgastrakt 42 der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeordnet. Im Abgastrakt 42 ist auch eine Turbine 44 des Abgasturboladers 18 angeordnet. Die Turbine 44 umfasst ein in 1 nicht erkennbares Turbinengehäuse, in welchem ein schematisch dargestelltes Turbinenrad 46 um eine Drehachse relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist.
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Das Turbinengehäuse weist zwei Strömungssegmente 48, 50 auf. Die Strömungssegmente sind dabei in Umfangsrichtung des Turbinenrads 46 über dessen Umfang hintereinander angeordnet. Das erste Strömungssegment 48 ist fluidisch mit der ersten Flut 38 verbunden, so dass das die erste Flut 38 durchströmende Abgas dem ersten Strömungssegment 48 zugeführt werden kann. Mittels des ersten Strömungssegments 48 wird das Abgas dann dem Turbinenrad 46 zugeführt, so dass das Abgas aus dem ersten Strömungssegment 48 aus- und das Turbinenrad 46 anströmen und dadurch antreiben kann.
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Die zweite Flut 40 ist mit dem zweiten Strömungssegment 50 fluidisch verbunden, so dass das die zweite Flut 40 durchströmende Abgas in das zweite Strömungssegment 50 einströmen kann. Dieses Abgas wird dann mittels des zweiten Strömungssegments 50 dem Turbinenrad 46 zugeführt, so dass auch das das zweite Strömungssegment 50 durchströmende Abgas das Turbinenrad 46 anströmen und dadurch antreiben kann. Das Turbinenrad 46 und das Verdichterrad 20 sind mit einer Welle 47 des Abgasturboladers 18 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad 20 zum Verdichten der Luft über die Welle 47 von dem Turbinenrad 46 angetrieben werden kann.
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Die Auslassventile 34a–d, 36a–d sind nun einer im Ganzen mit 52 bezeichneten Stelleinrichtung zugeordnet. Dabei sind die ersten Auslassventile 34a–d erste Stellelemente der Stelleinrichtung 52, während die zweiten Auslassventile 36a–d zweite Stellelemente der Stelleinrichtung 52 sind.
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Die Stelleinrichtung 52 ist zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar. Im Rahmen des ersten Betriebszustands erfolgt das zumindest zeitweise Freigeben aller Auslasskanäle 30a–d, 32a–d durch die Auslassventile 34a–d, 36a–d. Mit anderen Worten sind im ersten Betriebszustand alle Auslassventile 34a–d, 36a–d aktiviert. Dies bedeutet, dass im ersten Betriebszustand alle Auslassventile 34a–d, 36a–d mittels der wenigstens einen Auslassnockenwelle betätigt werden. Dementsprechend kann das Abgas aus allen Zylindern 12a–d in die ersten Auslasskanäle 30a–d und weiter in die erste Flut 38 einströmen, während das Abgas auch aus allen Zylindern 12a–d auch in die jeweiligen Auslasskanäle 32a–d und weiter in die zweite Flut 40 einströmen kann. Somit stehen im ersten Betriebszustand jedem der Zylinder 12a–d beide Fluten 38, 40 zur Verfügung, um dorthin das Abgas ausschieben zu können.
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Im zweiten Betriebszustand der Stelleinrichtung 52 erfolgt ein Freigeben der Auslasskanäle 30a und 30d sowie der Auslasskanäle 32b und 32c. Ein Freigeben der Auslasskanäle 30b und 30c unterbleibt ebenso wie ein Freigeben der Auslasskanäle 32a und 32d.
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Dies bedeutet, dass die Auslassventile 34b und 34c sowie die Auslassventile 36a und 36d im zweiten Betriebszustand in ihrer Schließstellung verbleiben, d. h. nicht betätigt und somit nicht geöffnet werden und die korrespondierenden Auslasskanäle 30b, 30c, 32a, 32d fluidisch versperren.
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Dieser zweite Betriebszustand wird vorzugsweise bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedrigen Abgasmassenströmen eingestellt, um eine besonders vorteilhafte Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 einzustellen. Der erste Betriebszustand wird vorzugsweise bei demgegenüber höheren Drehzahlen und/oder Abgasmassenströmen eingestellt, um eine vorteilhafte Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren. Im zweiten Betriebszustand steht jedem der Zylinder 12a–d lediglich eine der Fluten 38, 40 zur Verfügung, um dorthin Abgas auszuschieben.
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Dadurch kann einerseits bei niedrigen Drehzahlen ein sehr gutes Ansprechverhalten der Turbine 44 realisiert werden. Andererseits ist auch bei hohen Abgasmassenströmen eine wirkungsgradgünstige Aufladung realisierbar. Wie aus 1 zu erkennen ist, sind die Zylinder 12a–d in Längsrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10 hintereinander angeordnet, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 als Vier-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet ist. Die Zündfolge der Zylinder 12a–d lautet dabei: 12a–12c–12d–12b. Alternativ dazu kann die Zündfolge auch lauten: 12a–12d–12c–12b.
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Vorzugsweise erfolgt die Einstellung des jeweiligen Betriebszustands in Abhängigkeit von einem Volumenstrom des Abgases, welcher durch den Massenstrom ṁ, den Druck p3 und die Temperatur T3 des Abgases stromab der Zusammenführstelle 39, 41 und stromauf der Turbine 44 vorliegt.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, welche nun als Sechs-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet ist und entsprechend sechs Zylinder 12a–f aufweist. Entsprechend zu dem zuvor Geschilderten sind den Zylindern 12e und 12f erste Auslasskanäle 30e bzw. 30f und zweite Auslasskanäle 32e bzw. 32f sowie erste Auslassventile 34e bzw. 34f und zweite Auslassventile 36e bzw. 36f zugeordnet. Die Auslasskanäle 32c, 32d, 30e und 30f sind mit der ersten Flut 38 verbunden, während die Auslasskanäle 32a, 32b, 30c und 30d mit der zweiten Flut 40 fluidisch verbunden sind. Die Auslasskanäle 30a, 30b, 32e und 32f sind mit einer dritten Flut 54 im Abgastrakt 42 fluidisch verbunden, wobei die dritte Flut 54 mit einem dritten Strömungssegment 56 der Turbine 44 bzw. deren Turbinengehäuse fluidisch verbunden ist. Somit sind die Auslasskanäle 30a, 30b, 32e und 32f an einer Zusammenführstelle 55 fluidisch zusammengeführt. Die Turbine 44 umfasst nun die drei Strömungssegmente 48, 50, 56, über welche das Abgas dem Turbinenrad 46 zuführbar ist.
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Im ersten Betriebszustand werden alle Auslassventile 34a–f und 36a–f aktiviert, so dass alle Auslasskanäle 30a–f und 32a–f von Abgas durchströmt werden können. Im zweiten Betriebszustand bei niedrigen Drehzahlen und/oder Abgasdurchsätzen wird jeweils ein erster der Auslasskanäle 30a–f, 32a–f zumindest zeitweise durch das korrespondierende Auslassventil 34a–f, 36a–f freigegeben, während jeweils der entsprechend andere der Auslasskanäle 30a–f, 32a–f durch das entsprechende Auslassventil 34a–f, 36a–f fluidisch versperrt bleibt. Hierdurch steht jedem der Zylinder 12a–f im zweiten Betriebszustand jeweils lediglich eine der Fluten 38, 40, 54 zur Verfügung, um in diese Flut 38, 40, 54 Abgas auszuschieben.
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Die Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 lautet beispielsweise: 12a–12e–12c–12b–12d. Die Zylinder 12a–f sind fluidisch sehr gut miteinander verschaltet, so dass sie sich nicht oder nur sehr geringfügig beim Ausschieben des Abgases gegenseitig beeinflussen, was der Aufladung zugute kommt. Ferner ist eine hohe Durchsatzspreizung realisierbar.
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Durch die bedarfsgerechte Umschaltung der Stelleinrichtung 52 zwischen den Betriebszuständen ist eine variable Abgasflutentrennung darstellbar, so dass je nach Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 zwischen Stoßaufladung und Stauaufladung umgeschaltet werden kann.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 2, wobei die gleiche Zündfolge wie gemäß 2 vorgesehen ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 3 unterscheidet sich insbesondere dahingehend von der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2, dass die Zylinder 12a–f auf andere Weise fluidisch miteinander verschaltet sind. Vorliegend sind die Auslasskanäle 32c, 32d, 30e und 30f fluidisch mit der ersten Flut 38 verbunden. Die Auslasskanäle 32a, 32b, 32e und 32f sind fluidisch mit der zweiten Flut 40 verbunden, während die Auslasskanäle 30a, 30b, 30c und 30d fluidisch mit der dritten Flut 54 verbunden sind.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 und 3, welche die gleiche Zündfolge aufweist. Gemäß 4 sind die Zylinder 12a–f auf wieder andere Weise fluidisch miteinander verschaltet. Dabei sind die Auslasskanäle 32a, 30b, 30e und 32f fluidisch mit der ersten Flut 38 verbunden. Die Auslasskanäle 32b, 30c, 30d und 32e sind fluidisch mit der zweiten Flut 40 verbunden, während die Auslasskanäle 30a, 32c, 32d und 30f fluidisch mit der dritten Flut 54 verbunden sind. Auch durch die entsprechenden fluidischen Verschaltungen gemäß 3 und 4 kann eine besonders vorteilhafte Zylindertrennung und Durchsatzspreizung realisiert werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 bis 4. Wie bei der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 bis 4 sind auch bei der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 5 die Zylinder 12a–f in Längsrichtung hintereinander angeordnet, so dass die Verbrennungskraftmaschine 10 als Sechs-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet ist. Die Turbine 44 weist jedoch lediglich die zwei Strömungssegmente 48, 50 auf, welche mit den entsprechenden Fluten 38, 40 fluidisch verbunden sind.
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Vorliegend sind die Auslasskanäle 30a, 30b, 30c, 32d, 32e und 32f fluidisch mit der zweiten Flut 40 verbunden, während die Auslasskanäle 32a, 32b, 32c, 30d, 30e und 30f fluidisch mit der ersten Flut 38 verbunden sind. Die Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 4 entspricht dabei der Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 2 bis 4.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, welche vorliegend als Acht-Zylinder-Biturbomotor ausgebildet ist und zwei Zylinderbänke 11, 13 aufweist. Die Zylinderbank 13 umfasst die Zylinder 12a–d, während die Zylinderbank 11 die Zylinder 12e und 12f sowie gegenüber dem Sechs-Zylinder-Reihenmotor zusätzlich die Zylinder 12g und 12h umfasst. Die Zündfolge der Verbrennungskraftmaschine 10 lautet: 12a–12f–12c–12e–12d–12g–12b–12h.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst vorliegend zwei Abgasturbolader 18, 19, welche einen jeweiligen Verdichter 16 mit einem Verdichterrad 20 zum Verdichten der der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführenden Luft aufweist. Der jeweilige Abgasturbolader 18, 19 umfasst auch jeweils eine Turbine 44 mit einem jeweiligen Turbinenrad 46. Die Turbine 44 des Abgasturboladers 18 umfasst zwei Strömungssegmente 48, 50, während die Turbine 44 des Abgasturboladers 19 zwei Strömungssegmente 56, 58 aufweist.
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Das Strömungssegment 48 ist mit der ersten Flut 38 fluidisch verbunden, welche wiederum mit den Auslasskanälen 32a, 32b, 32c und 32d fluidisch verbunden ist. Das Strömungssegment 50 ist fluidisch mit der zweiten Flut 40 verbunden, welche wiederum mit den Auslasskanälen 30a, 30b, 30c und 30d fluidisch verbunden ist.
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Das Strömungssegment 56 ist fluidisch mit der dritten Flut 54 verbunden, welche mit den Auslasskanälen 32e und 32f sowie mit einem Auslasskanal 32g des Zylinders 12g und mit einem Auslasskanal 32h des Zylinders 12h fluidisch verbunden ist.
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Das Strömungssegment 58 ist fluidisch mit einer vierten Flut 60 verbunden. Die vierte Flut 60 ist fluidisch mit den Auslasskanälen 30e und 30f sowie fluidisch mit einem Auslasskanal 30g des Zylinders 12g und mit einem Auslasskanal 30h des Zylinders 12h fluidisch verbunden. Die Auslasskanäle 30e, 30f, 30g und 30h sind an einer Zusammenführstelle 61 zur der Flut 60 zusammengeführt.
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Wie bei den Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 1 bis 5 ist es im ersten Betriebszustand der Stelleinrichtung 52 der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 6 vorgesehen, dass alle Auslasskanäle 30a–h und 32a–h zumindest zeitweise freigegeben werden und entsprechend von Abgas durchströmt werden können.
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Im zweiten Betriebszustand wird pro Zylinder 12a–h lediglich einer der Auslasskanäle 30a–h, 32a–h zeitweise freigegeben, während der andere der Auslasskanäle 30a–h, 32a–h fluidisch versperrt bleibt. Jedoch erfolgt das Freigeben und Versperren der Auslasskanäle 30a–h und 32a–h derart, dass auch im zweiten Betriebszustand jede der Fluten 38, 40, 54 mit Abgas beschickt wird, und zwar über jeweils einen der Auslasskanäle 30a–h bzw. 32a–h pro Zylinder 12a–h. Grundsätzlich gilt für die Verbrennungskraftmaschinen 10, dass im zweiten Betriebszustand jede der Fluten 38, 40, 54 von Abgas durchströmt, jedoch steht jedem der Zylinder 12a–h lediglich eine der Fluten 38, 40, 54 zur Verfügung, um in diese Flut 38, 40, 54 Abgas auszuschieben. Die andere bzw. anderen der Fluten 38, 40, 50 sind für den jeweiligen Brennraum 12a–h fluidisch versperrt. Wie aus 6 zu erkennen ist, liegt die Einlassseite der Verbrennungskraftmaschine 10 zwischen den Zylinderbänken 11, 13, während die jeweilige Auslassseite außen liegt.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 6, welche gemäß 7 als Acht-Zylinder-V-Monoturbomotor ausgebildet ist und lediglich den einen Abgasturbolader 18 mit der Turbine 44 aufweist. Die Turbine 44 umfasst vier Strömungssegmente 48, 50, 56, 58.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 7 weist die gleiche Zündfolge auf wie die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß 6. Die jeweilige Auslassseite ist vorliegend zwischen den Zylinderbänken 11, 13 angeordnet, während die jeweilige Einlassseite außen angeordnet ist. Auch bei der Stelleinrichtung 52 gemäß 7 ist eine entsprechende, bedarfsgerechte Umschaltung zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 11
- Zylinderbank
- 12a–h
- Zylinder
- 13
- Zylinderbank
- 14
- Ansaugtrakt
- 16
- Verdichter
- 18
- Abgasturbolader
- 19
- Abgasturbolader
- 20
- Verdichterrad
- 22
- Ladeluftkühler
- 24
- Ladeluftverteiler
- 26
- Einlasskanal
- 28
- Einlassventil
- 30a–h
- Auslasskanal
- 32a–h
- Auslasskanal
- 34a–h
- Auslassventil
- 36a–h
- Auslassventil
- 38
- Flut
- 39
- Zusammenführstelle
- 40
- Flut
- 41
- Zusammenführstelle
- 42
- Abgastrakt
- 44
- Turbine
- 46
- Turbinenrad
- 47
- Welle
- 48
- Strömungssegment
- 50
- Strömungssegment
- 52
- Stelleinrichtung
- 54
- Flut
- 55
- Zusammenführstelle
- 56
- Strömungssegment
- 58
- Strömungssegment
- 60
- Flut
- 61
- Zusammenführstelle
