DE102014208289A1 - Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit abschaltbarem Zylinder und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine BKM (13) mit min. zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) min. eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (7a, 7b) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) min. eine Einlassöffnung aufweist, – min. zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese min. zwei Gruppen mit jeweils min. einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der min. eine Zylinder (1,4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der BKM (13) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der min. eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – min. ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, der eine Turbine (12a) und einen Verdichter (12b) umfasst, wobei – die Abgasleitungen (7a, 7b) der Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung (7A, 7B) zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen (7A, 7B) mit einer zweiflutigen Turbine (12a), die zwei Fluten (14A, 14B) und zwei Eintrittsöffnungen aufweist und mindestens ein in einem Turbinengehäuse (10) auf einer drehbaren Welle (11a) gelagertes Laufrad (11) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung (7A, 7B) mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine (12a) verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut (14A, 14B) der Turbine (12a) anschließt und ein erstes Absperrelement (9) am laufradseitigen Ende einer zweiten Flut (14B) vorgesehen ist, welches in einer ersten Arbeitsposition die der zweiten Zylindergruppe zugeordnete zweite Flut (14B) versperrt und von dem min. einen Laufrad (11) trennt und in einer zweiten Arbeitsposition diese zweite Flut (14B) freigibt und mit dem min. einen Laufrad (11) verbindet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
• – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
• – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
• – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
• Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
• Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
• Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens zwei Zylinder, d. h. Brennräume. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
• Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung eines Ottomotors entwickelt.
• Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
• Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse bzw. Ladeluftmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert. Variable Ventiltriebe sind aber sehr kostenintensiv und daher für den Serieneisatz häufig ungeeignet.
• Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
• Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
• Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
• Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine für die Teilabschaltung geeignete fremdgezündete Brennkraftmaschine, d. h. eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem abschaltbaren Zylinder.
• Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen deutliches Verbesserungspotential auf, wie im Folgenden kurz erläutert wird.
• Wird zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden bzw. die Fremdzündung deaktiviert, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei durch die abgeschalteten Zylinder generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt.
• In der Praxis ist es nicht zielführend, den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten dadurch abzuhelfen, dass schaltbare Ventiltriebe vorgesehen werden, da schaltbare Ventiltriebe wie variable Ventiltriebe sehr kostenintensiv sind und sich für den Serieneinsatz nicht eignen.
• Darüber hinaus würden schaltbare Ventiltriebe bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern auszulegen ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine infolge des fehlenden Massenstroms durch die abgeschalteten Zylinder. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem das Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt, und den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern nur wenig Frischluft bzw. Ladeluft zugeführt wird bzw. zugeführt werden kann. Der geringe Ladeluftstrom kann auch dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
• Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Lastbereiches, in welchem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Die verminderte Ladeluftmenge, die den während der Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, mindert zudem die Effektivität bzw. Güte der Verbrennung und wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen aus.
• Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
• Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte auch dadurch erhöht werden, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet wird, die eine Anpassung des wirksamen Turbinenquerschnittes an den momentanen Abgasmassenstrom gestattet. Dann würde sich aber gleichzeitig der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine erhöhen, was wiederum zu höheren Ladungswechselverlusten bei den noch in Betrieb befindlichen Zylindern führt.
• Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Teilabschaltung und der Abgasturboaufladung verbessert ist.
• Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
• Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, bei der
• – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• – jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
• – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
• – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
• – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
• – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die zwei Fluten und zwei Eintrittsöffnungen aufweist und mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut der Turbine anschließt und ein erstes Absperrelement am laufradseitigen Ende einer zweiten Flut vorgesehen ist, welches in einer ersten Arbeitsposition die der zweiten Zylindergruppe zugeordnete zweite Flut versperrt und von dem mindestens einen Laufrad trennt und in einer zweiten Arbeitsposition diese zweite Flut freigibt und mit dem mindestens einen Laufrad verbindet.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer zweiflutigen Turbine ausgestattet, wodurch das Aufladeverhalten, d. h. die Drehmomentcharakteristik, deutlich verbessert wird, insbesondere während der Teilabschaltung.
• Die den schaltbaren Zylindern zugeordnete zweite Flut wird bei Teilabschaltung mittels Absperrelement versperrt. Dadurch wird verhindert, dass aus den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern stammendes Abgas in die zweite Flut überströmt. Auf diese Weise können die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zur Verbesserung des Aufladeverhaltens genutzt werden.
• In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder im Rahmen des Ladungswechsels im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen beruht. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert. Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
• Die hohen Druckimpulse der Vorauslassstöße können zur Stoßaufladung genutzt werden, weshalb es vorteilhaft ist, die Druckimpulse im Abgasabführsystem zu erhalten und Maßnahmen zu ergreifen, damit sich die Druckimpulse der einzelnen Zylinder nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
• Dabei kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zielführend sein, bei der die zweite Flut der Turbine bei abgeschalteten Zylindern mittels Absperrelement versperrt wird, so dass sich die Druckimpulse der weiter in Betrieb befindlichen Zylinder nicht in diese zweite Flut ausbreiten und abbauen bzw. abschwächen können, wobei das in der zweiten Flut zwischen dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder und dem Laufrad befindliche Abgasvolumen eine dämpfende Wirkung entfallen würde.
• Insbesondere im Rahmen einer Teilabschaltung, bei niedrigen Lasten und niedrigen Drehzahlen, bei denen die Frequenz der Druckschwankungen im Abgasabführsystem abnimmt, erweist sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine als besonders vorteilhaft, um beispielweise das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern, d. h. anzuheben.
• Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird zudem die Abfuhr des Abgases aus dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder via Abgasabführsystem bei Teilabschaltung unterbunden, ohne dass die schaltbaren Zylinder mit schaltbaren Ventiltrieben, die hohe Kosten verursachen, ausgestattet werden müssen. Das erste Absperrelement versperrt in der ersten Arbeitsposition die zweite Flut und damit auch die Abgasleitungen der lastabhängig schaltbaren Zylinder. Der mindestens eine abgeschaltete Zylinder nimmt zwar weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieses Zylinders weiter betrieben wird und nicht deaktiviert ist. Der mindestens eine abgeschaltete Zylinder fördert aber in das zwischen ihren Auslassöffnungen und dem ersten Absperrelement befindliche Abgasvolumen hinein und nicht durch die Turbine hindurch.
• Das erste Absperrelement ist erfindungsgemäß am laufradseitigen Ende der zweiten Flut vorgesehen. Dadurch wird das zwischen dem ersten Absperrelement und dem Laufrad befindliche Abgasvolumen minimiert und ein Überströmen des aus den in Betrieb befindlichen Zylindern stammenden Abgases von der ersten Flut in die zweite Flut bestmöglich verhindert, d. h. unterbunden. Eine Optimierung der Stoßaufladung ist die Folge.
• Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Teilabschaltung und der Abgasturboaufladung verbessert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens zwei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Schalten realisiert werden kann. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen, beispielsweise bei einem Dreizylindermotor eine Gruppe mit einem Zylinder und eine Gruppe mit zwei Zylindern bilden.
• Die erfindungsgemäße Ausgestaltung verbessert den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb, d. h. bei niedrigen Lasten, wobei eine niedrige Last vorzugsweise eine Last ist, die weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30% der maximalen Last bei der momentan vorliegenden Drehzahl beträgt.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten bzw. die beiden Gesamtabgasleitungen bzw. die Abgaskrümmer der Zylindergruppen miteinander verbindbar sind, d. h. über mindestens eine Verbindung verfügen.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten im Turbinengehäuse mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind, wobei die Gehäusewandung laufradseitig beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet und auf diese Weise an ihrem laufradseitigen Ende eine Verbindung zwischen den beiden Fluten mit ausbildet.
• Die vorstehend ausführlich beschriebene Stoßaufladung hat auch Nachteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Die Zylinder können sich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder und zwar gegebenenfalls bis zu deren Auslassöffnung, weshalb bereits abgeführtes Abgas erneut in diese Zylinder gelangen kann.
• Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass sich eine Turbine am effektivsten betreiben lässt, wenn die Turbine mit einem konstanten Abgasdruck beaufschlagt wird. Hinsichtlich eines möglichst hohen Turbinenwirkungsgrades wird daher ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine, d. h. des Laufrades, bevorzugt, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
• Durch ein entsprechend bzw. möglichst großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern wäre eine Trennung der Fluten bis hin zum Laufrad, bei der das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts des Laufrades in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, überaus nachteilig. Hinsichtlich einer Stauaufladung ist es daher vorteilhaft, die beiden Fluten der Turbine und damit die beiden Abgaskrümmer der Zylindergruppen miteinander zu verbinden.
• Die in Rede stehende Ausführungsform sieht daher eine Verbindung zwischen den beiden Fluten vor. Die im Turbinengehäuse vorgesehene Gehäusewandung trennt die Fluten solange wie möglich voneinander und bis kurz vor das Laufrad.
• Um von der Stoßaufladung bei Teilabschaltung zu einer Stauaufladung bei Betrieb sämtlicher Zylinder zu wechseln, ist es erforderlich, die Verbindung zwischen den Fluten öffnen bzw. schließen zu können.
• Da die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine bereits ein erstes Absperrelement aufweist, welches zum Zwecke der Teilabschaltung von einer zweiten Arbeitsposition in eine erste Arbeitsposition überführt wird, um die dem mindestens einen abgeschalteten Zylinder zugeordnete zweite Flut zu versperren, wäre es überaus vorteilhaft, dieses erste Absperrelement auch für das Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen den Fluten nutzen zu können bzw. zu nutzen.
• Vorteilhaft sind daher insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das erste Absperrelement die Verbindung in der ersten Arbeitsposition versperrt und in der zweiten Arbeitsposition freigibt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen in der Ansaugleitung des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders ein zweites Absperrelement vorgesehen ist, welches die Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft bei zugeschaltetem Zylinder freigibt und bei abgeschaltetem Zylinder versperrt.
• Gemäß dieser Ausführungsform wird den abgeschalteten Zylindern während der Teilabschaltung keine Ladeluft zugeführt. Hierzu werden die Ansaugleitungen der abgeschalteten Zylinder mittels Absperrelement verschlossen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das erste Absperrelement und/oder das zweite Absperrelement zweistufig schaltbar sind.
• Das erste Absperrelement soll lediglich die zweite Flut während der Teilabschaltung versperren und nach Beendigung der Teilabschaltung wieder freigeben, weshalb ein zweistufig schaltbares Absperrelement grundsätzlich ausreicht. Ähnliches gilt für das in der Ansaugleitung eines schaltbaren Zylinders angeordnete zweite Absperrelement, welches die Ansaugleitung eines abgeschalteten Zylinders versperren und nach Beendigung der Teilabschaltung wieder freigeben soll.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das erste Absperrelement und/oder das zweite Absperrelement ein Ventil oder eine verschwenkbare Klappe bzw. eine Drosselklappe ist.
• Die Absperrelemente können elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen das erste Absperrelement ein translatorisch verschiebbares Element ist, d. h. ein Schieber ist.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
• Bei aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die zwei außenliegenden Zylinder und die zwei innenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
• Um die Druckimpulse der Vorauslassstöße zwecks Stoßaufladung bei Teilabschaltung weitestgehend zu erhalten, ist es zielführend, die Zylinder in geeigneter Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in geeigneter Weise zusammen zu führen, so dass eine gegenseitige Einflussnahme der Zylinder einer Gruppe vermieden wird. Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen. Wird beispielweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1 – 2 – 4 – 3 bzw. gemäß der Zündfolge 1 – 3 – 4 – 2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
• Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.
• Die Kraftstoffzufuhr lässt sich zum Zwecke der Teilabschaltung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen schneller und zuverlässiger deaktivieren als bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, bei denen Kraftstoffreste im Saugrohr zu ungewollten Verbrennungen im abgeschalteten Zylinder führen können.
• Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
• Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst mit einem Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Absperrelement im Rahmen einer Teilabschaltung in die erste Arbeitsposition überführt wird.
• Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der mindestens eine schaltbare Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.
• Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten T_down und T_up können gleich groß, aber auch verschieden groß sein. Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die Zylinder der ersten Zylindergruppe ständig in Betrieb befindliche Zylinder. Es erfolgt ein Schalten der zweiten Zylindergruppe, d. h. ein Zuschalten bzw. Abschalten dieser zweiten Gruppe.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung deaktiviert wird. Es ergeben sich Vorteile in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen, was die Zielsetzung, die mit der Teilabschaltung verfolgt wird, nämlich den Kraftstoffverbrauch zu mindern und den Wirkungsgrad zu verbessern, unterstützt.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündvorrichtung ausgestattet wird, wobei die Zündvorrichtung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung vorzugsweise deaktiviert wird.
• Die vorstehende Verfahrensvariante betrifft die Anwendung des Verfahrens bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, beispielsweise einem direkteinspritzenden Ottomotor, dessen Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung jeweils mit einer Zündvorrichtung ausgestattet sind.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die vorgebbare Last T_down und/oder T_up von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten unabhängig von der Drehzahl n geschaltet wird. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Bereich im Kennfeld definiert, in dem teilabgeschaltet wird.
• Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündvorrichtung ausgestattet wird, wobei die Zündvorrichtung des mindestens einen schaltbaren Zylinders bei Abschaltung deaktiviert wird.
• Die vorstehende Verfahrensvariante betrifft die Anwendung des Verfahrens bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, beispielsweise einem direkteinspritzenden Ottomotor, dessen Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung jeweils mit einer Zündvorrichtung ausgestattet sind.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemäß den 1a, 1b und 1c näher erläutert. Hierbei zeigt:
• 1a schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine,
• 1b schematisch im Halbschnitt geschnitten entlang der Drehachse des Laufrades den prinzipiellen Aufbau einer zweiflutigen Turbine einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mit in der zweiten Arbeitsposition befindlichem ersten Absperrelement, und
• 1c schematisch im Halbschnitt geschnitten entlang der Drehachse des Laufrades die in 1b dargestellte Turbine mit in der ersten Arbeitsposition befindlichem ersten Absperrelement.
• 1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 13. Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 13, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe, angeordnet sind.
• Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 verfügt über eine Ansaugleitung 5a, 5b zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem 6 und eine Abgasleitung 7a, 7b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 8.
• Die Brennkraftmaschine 13 ist zum Zwecke der Aufladung mit einem Abgasturbolader 12 ausgestattet, wobei die Turbine 12a im Abgasabführsystem 8 und der Verdichter 12b in der Gesamtansaugleitung 6a des Ansaugsystems 6 angeordnet sind. Die der Brennkraftmaschine 13 zugeführte Frischluft wird im Verdichter 12b komprimiert, wozu die Enthalpie des Abgasstroms in der Turbine 12a genutzt wird. Die Turbine 12a ist eine zweiflutige Turbine 12a in Gestalt einer Zwillingsstromturbine 12A.
• Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine 13 in Betrieb sind, und die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden.
• Die Abgasleitungen 7a, 7b der Zylinder 1, 2, 3, 4 jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung 7A, 7B zusammen. Die beiden Gesamtabgasleitungen 7A, 7B sind mit der zweiflutigen Turbine 12a verbunden, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung 7A, 7B in eine Flut 14A, 14B der Turbine 12a mündet (siehe auch 1b und 1c).
• In einer ersten Arbeitsposition der Turbine 12a wird die der zweiten Zylindergruppe zugeordnete zweite Flut 14B versperrt, d. h. von dem Laufrad 11 getrennt. In einer zweiten Arbeitsposition der Turbine 12a wird die zweite Flut 14B freigegeben, d. h. mit dem Laufrad 11 verbunden.
• Die 1b und 1c zeigen schematisch im Halbschnitt – geschnitten entlang der Drehachse 11a des Laufrades 11 – den prinzipiellen Aufbau einer zweiflutigen Turbine 12a einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei 1b die Turbine 12a mit dem ersten Absperrelement 9 in der zweiten Arbeitsposition und 1c die Turbine 12a mit dem ersten Absperrelement 9 in der ersten Arbeitsposition zeigt.
• Bei der in den 1b und 1c dargestellten Turbine 12a handelt es sich um eine Zwillingsstromturbine 12A, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Fluten 14A, 14B nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad 11 zumindest abschnittsweise auf gleichgroßen Radien umschließen. Die beiden Fluten 14A, 14B der Zwillingsstromturbine 12A sind – zumindest in den dargestellten Halbschnitten – radial gleichweit beabstandet zur Welle 11a der Turbine 12a im Gehäuse 10 angeordnet.
• Die Gehäusewandung 10a des Turbinengehäuses 10 trennt die beiden Fluten 14A, 14B voneinander und zwar bis kurz vor Eintritt in das Laufrad 11. Das laufradseitige freie Ende der Gehäusewandung 10a weist somit einen Abstand zum Laufrad 11 auf und bildet auf diese Weise eine Verbindung 10b zwischen den beiden Fluten 14A, 14B mit aus.
• Das erste Absperrelement 9 ist am laufradseitigen Ende der zweiten Flut 14B angeordnet, versperrt diese Verbindung 10b in der ersten Arbeitsposition (siehe 1c) und gibt die Verbindung 10b in der zweiten Arbeitsposition wieder frei (siehe 1b).
• Das erste Absperrelement 9 ist als Schieber 9a ausgebildet und wird von der ersten Arbeitsposition (siehe 1c) in die zweite Arbeitsposition (siehe 1b) bzw. umgekehrt durch translatorisches Verschieben überführt (siehe Doppelpfeil).
• Bezugszeichenliste

1

erster Zylinder, außenliegender Zylinder

2

zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder

3

dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder

4

vierter Zylinder, außenliegender Zylinder

5a

Ansaugleitung eines Zylinders der ersten Gruppe

5b

Ansaugleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe

6

Ansaugsystem, Einlassseite

6a

Gesamtansaugleitung

7a

Abgasleitung eines Zylinders der ersten Gruppe

7A

Gesamtabgasleitung der ersten Zylindergruppe

7b

Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders

7B

Gesamtabgasleitung der zweiten Zylindergruppe

8

Abgasabführsystem, Auslassseite

9

erstes Absperrelement

9a

Schieber

10

Turbinengehäuse

10a

Gehäusewandung

10b

Verbindung

11

Laufrad

11a

Welle, Drehachse des Laufrades

12

Abgasturbolader

12a

Turbine

12A

Zwillingsstromturbine

12b

Verdichter

13

Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor

14A

erste Flut

14B

zweite Flut

n

Drehzahl der Brennkraftmaschine

T

Last

T_down

vorgebbare Last für das Unterschreiten einer Last

T_max,n

maximale Last bei einer vorliegenden Drehzahl n

T_up

vorgebbare Last für das Überschreiten einer Last

Claims (13)

1. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) mit mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (7a, 7b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (8) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung (5a, 5b) zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (6) anschließt, – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (13) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, – mindestens ein Abgasturbolader (12) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (8) angeordnete Turbine (12a) und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter (12b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abgasleitungen (7a, 7b) der Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung (7A, 7B) zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen (7A, 7B) mit einer zweiflutigen Turbine (12a), die zwei Fluten (14A, 14B) und zwei Eintrittsöffnungen aufweist und mindestens ein in einem Turbinengehäuse (10) auf einer drehbaren Welle (11a) gelagertes Laufrad (11) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung (7A, 7B) mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine (12a) verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut (14A, 14B) der Turbine (12a) anschließt und ein erstes Absperrelement (9) am laufradseitigen Ende einer zweiten Flut (14B) vorgesehen ist, welches in einer ersten Arbeitsposition die der zweiten Zylindergruppe zugeordnete zweite Flut (14B) versperrt und von dem mindestens einen Laufrad (11) trennt und in einer zweiten Arbeitsposition diese zweite Flut (14B) freigibt und mit dem mindestens einen Laufrad (11) verbindet.
2. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten (14A, 14B) im Turbinengehäuse (10) mittels Gehäusewandung (10a) voneinander getrennt sind, wobei die Gehäusewandung (10a) laufradseitig beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad (11) endet und auf diese Weise an ihrem laufradseitigen Ende eine Verbindung (10b) zwischen den beiden Fluten (14A, 14B) mit ausbildet.
3. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (9) die Verbindung (10b) in der ersten Arbeitsposition versperrt und in der zweiten Arbeitsposition freigibt.
4. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (5b) des mindestens einen lastabhängig schaltbaren Zylinders (2, 3) ein zweites Absperrelement vorgesehen ist, welches die Ansaugleitung (5b) zum Zuführen von Ladeluft bei zugeschaltetem Zylinder (2, 3) freigibt und bei abgeschaltetem Zylinder (2, 3) versperrt.
5. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (9) und/oder das zweite Absperrelement zweistufig schaltbar sind.
6. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (9) ein translatorisch verschiebbares Element (9a) ist.
7. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem (8) vorgesehen ist.
8. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) und die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils eine Gruppe bilden.
9. Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine (13) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Absperrelement (9) im Rahmen einer Teilabschaltung in die erste Arbeitsposition überführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine (13) geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders (2, 3) bei Abschaltung deaktiviert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündvorrichtung ausgestattet wird, wobei die Zündvorrichtung des mindestens einen schaltbaren Zylinders (2, 3) bei Abschaltung deaktiviert wird.

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