-
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfasst, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der mindestens zwei innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die 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 Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten bis hin zum mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und unterschiedliche Längen und unterschiedliche Volumina aufweisen.
-
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
-
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens vier Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Ventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen.
-
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Gesamtabgasleitung als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird.
-
Auf welche Weise die Abgasleitungen der mindestens vier Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Auslegung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Betriebsbereich der Brennkraftmaschine Priorität genießt, d. h. hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
-
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt.
-
Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.
-
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen 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.
-
Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
-
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringen Abgasmengen spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.
-
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Vorteilhaft ist es daher, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
-
Diesbezüglich ist es zielführend, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden werden kann.
-
Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind die mindestens vier in Reihe angeordneten Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
-
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.
-
Aus den vorstehend genannten Gründen umfasst die erste Zylindergruppe der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder. Eine derartige Gruppierung bzw. Ausgestaltung des Abgasabführsystems hat nicht nur Vorteile hinsichtlich einer möglichen Stoßaufladung, d. h. hinsichtlich der Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen. Vielmehr ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere hinsichtlich einer Restgasausspülung bzw. betreffend die Reduzierung des Restgasanteils in den Zylindern.
-
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders laufen, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung.
-
Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht.
-
Als besonders nachteilig erweist es sich, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht, denn in dieser Phase des Ladungswechsels werden die Verbrennungsgase maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Probleme beim Ladungswechsel ergeben sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, wenn während einer Ventilüberschneidung, bei der das Auslassventil bei geöffnetem Einlassventil noch nicht geschlossen ist, Abgas unter Inkaufnahme von Spülverlusten weitestgehend aus dem Zylinder ausgespült werden soll.
-
Die Problematik betreffend die gegenseitige Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel ist von zunehmender Relevanz, da die Abgasleitungen bzw. die Abgaskrümmer bei modernen Brennkraftmaschinen immer kürzer ausgeführt werden, insbesondere da die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert werden.
-
Die kurzen Abgasleitungen können dazu führen, dass sich die Zylinder der Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel gegenseitig in nachteiliger Weise beeinflussen, insbesondere der durch eine ablaufende Restgasausspülung erzielte Effekt zumindest teilweise zunichte gemacht wird.
-
Bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem sämtliche Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen und dessen Zylinder mit der Zündfolge 1-3-4-2 betrieben werden, kann beispielsweise der vierte Zylinder den in der Zündfolge vorangehenden dritten Zylinder, d. h. den vorher gezündeten Zylinder, während des Ladungswechsels sogar in der Weise beeinflussen, dass aus dem vierten Zylinder stammendes Abgas in den dritten Zylinder gelangt, bevor dessen Auslassventile schließen.
-
Um der vorstehend beschriebenen Problematik entgegen zu treten, ist es zielführend, die mindestens vier Zylinder wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu gruppieren.
-
Bevor die Druckwelle, die von einem Zylinder der Gruppe ausgeht, die Auslassöffnung eines anderen Zylinders dieser Gruppe erreicht, hat das Auslassventil diese Auslassöffnung verschlossen, denn die Zylinder sind derart gruppiert, dass infolge ihres thermodynamischen Versatzes, d. h. ihres Zündabstandes, eine gegenseitige Einflussnahme beim Ladungswechsel unterbunden wird.
-
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass eine Gruppierung der Zylinder in der erfindungsgemäßen Weise bei der konstruktiven Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine von zunehmender Bedeutung ist und zwar sowohl im Zusammenhang mit einer möglichen Stoßaufladung als auch bezüglich einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels.
-
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Abgasabführsystem optimiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Stoßaufladung und einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels.
-
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
-
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfasst, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der mindestens zwei innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die 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 Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten bis hin zum mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und unterschiedliche Längen und unterschiedliche Volumina aufweisen,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die erste Gesamtabgasleitung mit der ersten Flut, welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden ist und die zweite Gesamtabgasleitung mit der zweiten Flut, welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden ist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die beiden Gesamtabgasleitungen mit den beiden Fluten nicht wahllos, d. h. beliebig, verbunden, sondern vielmehr in einer ganz bestimmten Weise kombiniert, um die Stoßaufladung mittels zweiflutiger Turbine zu optimieren. Dabei macht sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Umstand zunutze, dass sowohl die beiden Abgaskrümmer als auch die beiden Turbinenfluten unterschiedlich große Volumina aufweisen und diese Volumina Einfluss haben auf die dynamischen Wellenvorgänge im Abgasabführsystem und damit auch auf die Stoßaufladung bzw. auf die die Stoßaufladung prägenden Druckimpulse.
-
Die zum ersten Abgaskrümmer und damit zu dem großvolumigen Abgaskrümmer gehörende erste Gesamtabgasleitung wird erfindungsgemäß mit der ersten Flut, welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden, wohingegen die zum zweiten Abgaskrümmer und damit zu dem kleinvolumigen Abgaskrümmer gehörende zweite Gesamtabgasleitung mit der zweiten Flut, welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden ist.
-
Diese Maßnahme dient dazu, den Unterschied der beiden Volumina, welche sich stromaufwärts des Laufrades jeweils aus dem Volumen einer Flut und dem Volumen des zugeordneten Abgaskrümmers zusammensetzen, zu vermindern, idealerweise zu eliminieren.
-
Zu berücksichtigen ist nämlich, dass unterschiedlich große Volumina der Abgasabführteilsysteme umfassend einen Krümmer und eine Flut zu nachteiligen Effekten führen betreffend das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bei Stoßaufladung.
-
Unterschiedlich große Volumina führen nämlich zu unterschiedlich großen Druckimpulsen am Ende der Fluten stromaufwärts des Laufrades. Eine Variation der Amplitude der Druckimpulse ist aber hinsichtlich einer Stoßaufladung unvorteilhaft. Wünschenswert sind vielmehr gleichgroße Druckimpulse am Ende beider Fluten vor Eintritt in das Laufrad und damit möglichst gleichgroße Volumina der beiden Teilsysteme.
-
Auch die Wegstrecken, welche die Druckimpulse in den jeweiligen Abgasabführteilsystemen von der Auslassöffnung bis hin zum Laufrad zurücklegen müssen, sind unterschiedlich groß, d. h. unterschiedlich lang, weshalb die zeitlichen Abstände zwischen den am Laufrad eintreffenden Druckimpulsen ebenfalls unterschiedlich groß sind, d. h. variieren.
-
Das erfindungsgemäße, d. h. das gezielte Kombinieren der Gesamtabgasleitungen mit den Fluten dient auch dazu, den Unterschied in den Wegstrecken zu mindern bzw. zu eliminieren, so dass die Druckimpulse regelmäßig und mit gleichgroßen zeitlichen Abständen am Laufrad eintreffen.
-
Wie vorstehend ausführlich dargelegt, zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise dadurch aus, dass sich die beiden Abgasabführteilsysteme der zwei Zylindergruppen, die sich von den Auslassöffnungen der jeweiligen Zylinder bis hin zum Laufrad erstrecken und jeweils einen Krümmer und die dazugehörige Flut umfassen, möglichst wenig in ihrem Abgasvolumen unterscheiden und die Druckimpulse ähnlich große Wegstrecken bis hin zum Laufrad zu überbrücken haben.
-
Eine effektive Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels entschärft bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen die Klopfproblematik.
-
Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Abgasabführsystem optimiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Stoßaufladung und einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels.
-
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen von mindestens vier Zylindern unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Insofern sind Ausführungsformen mit fünf oder mehr Zylindern, bei denen die Abgasleitungen von mehr als vier Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Abgaskrümmer ein größeres Volumen aufweist als der zweite Abgaskrümmer. Die Gründe sind die bereits Genannten.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, vorzugsweise eine Doppelstromturbine, bei der die zwei Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse des mindestens einen Laufrades gesehen – aufeinander liegend angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
-
Bei Doppelstromturbinen sind die beiden Fluten radial unterschiedlich weit beabstandet zur Welle des Laufrades angeordnet, weshalb die beiden Fluten einer Doppelstromturbine zwangsläufig unterschiedlich große Längen und unterschiedlich große Volumen aufweisen und sich die erfindungsgemäße Maßnahme beim Kombinieren der Gesamtabgasleitungen mit den Fluten besonders vorteilhaft auswirkt.
-
Wird als zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine eingesetzt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen jede Flut am laufradseitigen Ende eine Austrittsöffnung aufweist, die das mindestens eine Laufrad entlang eines bogenförmigen Abschnitts von im Wesentlichen 180° umschließt.
-
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, vorzugsweise eine Zwillingsstromturbine, bei der die beiden Fluten das mindestens eine Laufrad – nebeneinander angeordnet – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens einer Öffnung in der Gehäusewandung stromaufwärts des Laufrades miteinander verbindbar sind.
-
Die Stoßaufladung hat auch Nachteile. Zu berücksichtigen ist, dass eine Turbine ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden am effektivsten betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
-
Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern erweist sich die Gruppierung der Zylinder, bei der die Abgasleitungen gruppenweise zusammengeführt werden und bis hin zum Laufrad voneinander getrennt sind, wodurch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv.
-
Bei der in Rede stehenden Ausführungsform der Brennkraftmaschine kann das Volumen des mit einer einzelnen Flut der Turbine kommunizierenden Abgassystems variiert werden und zwar durch ein Verbinden bzw. Trennen der beiden Fluten der Turbine.
-
Folglich kann auch das Abgasvolumen bzw. das Abgasabführsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der zweiflutigen Turbine an unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere an unterschiedlich großen Abgasmengen bzw. Drehzahlen, angepasst und diesbezüglich optimiert werden.
-
Grundsätzlich können auch die beiden Abgaskrümmer miteinander verbindbar ausgebildet werden. Das Verbinden der beiden Fluten der Turbine hat aber demgegenüber den Vorteil, dass die verbindende Öffnung der Abgassysteme der beiden Zylindergruppen weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet ist, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe vergrößert wird. Der Gefahr einer gegenseitigen, insbesondere nachteiligen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch entgegen gewirkt.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein verschiebbares Wandstück vorgesehen ist, das dem Freigeben der mindestens einen Öffnung in der Gehäusewandung dient. Die Verwendung eines Wandstücks eröffnet die Möglichkeit, eine vergleichsweise große Öffnung in einfacher Weise eben durch Verschieben dieses Wandstücks freizugeben.
-
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein Absperrelement in der Gehäusewandung vorgesehen ist, das dem Freigeben der mindestens einen Öffnung in der Gehäusewandung dient. Es können auch mehrere Öffnungen und Absperrelemente vorgesehen werden.
-
Mit Hilfe eines Absperrelementes kann der Strömungsquerschnitt der Öffnung verändert werden. Insbesondere wird die Öffnung für das Abgas freigegeben bzw. verschlossen, d. h. die beiden Fluten werden miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder dergleichen ist.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
-
Das Absperrelement ist vorzugsweise zweistufig schaltbar ausgeführt in der Art, dass es die mindestens eine Öffnung entweder verschließt oder freigibt, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere Kostenvorteile bietet. Das Absperrelement kann aber auch stufenlos schaltbar sein, um beispielsweise einen sprunghaften Drehmomentabfall bzw. Drehmomentanstieg bei Betätigen des Absperrelements, d. h. beim Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung und umgekehrt, zu vermeiden oder um in bestimmten Betriebsbereichen sich durch Zwischenstellungen ergebende höhere Energieausnutzung ausnützen zu können.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.
-
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfasst.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
-
Die im Abgasabführsystem vorgesehene zweiflutige Turbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat gleich mehrere Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen.
-
Da sich der Weg zur Turbine für die heißen Abgase verkürzt, nimmt auch das Volumen der Abgaskrümmer bzw. des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab.
-
Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
-
Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
-
Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt die Stoßaufladung im unteren Drehzahlbereich.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
-
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
-
Vorzugsweise ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
-
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
-
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
-
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln.
-
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
-
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt.
-
Wie bereits erwähnt, ist es hinsichtlich der Stoßaufladung vorteilhaft, die Druckspitzen, d.h. die Vorauslassstöße im Abgasabführsystem möglichst umfänglich zu erhalten. Damit die Druckimpulse sich möglichst wenig abschwächen bzw. nicht gegenseitig aufheben, ist ein gewisser Mindestabstand zwischen den Druckimpulsen erforderlich. Der Abstand zwischen den Druckimpulsen hängt von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab, so dass eine gewisse Grenzdrehzahl nicht überschritten werden sollte. Diese Grenzdrehzahl wird vorliegend als erste vorgebbare Drehzahl bezeichnet. Übersteigt die Drehzahl der Brennkraftmaschine diese erste vorgebbare Drehzahl, werden die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden, wodurch ein Wechsel von der Stoßaufladung zur Stauaufladung erfolgt.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt der Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung und umgekehrt nicht, wie häufig im Stand der Technik vorgeschlagen wird, in Abhängigkeit von der Abgasmenge, die auch nicht mit der Drehzahl korreliert.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
-
1 schematisch eine graphische Zuordnungsvorschrift der beiden Fluten einer Doppelstromturbine zu den beiden Abgaskrümmern einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
-
1 zeigt schematisch eine graphische Zuordnungsvorschrift der beiden Fluten 8, 9 einer Doppelstromturbine 1a zu den beiden Abgaskrümmern 15, 16 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
-
In der linken Hälfte der 1 ist schematisch der prinzipielle Aufbau einer Doppelstromturbine 1a dargestellt und zwar geschnitten senkrecht zur Drehachse 4 des Laufrades 3.
-
Die dargestellte Doppelstromturbine 1a ist ein Beispiel für eine zweiflutige Turbine 1, d. h. für eine Turbine 1 mit zwei Fluten 8, 9. Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist.
-
Die Doppelstromturbine 1a ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten 8, 9 aufeinander liegend angeordnet sind und das Laufrad 3 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen. Die beiden Eintrittsöffnungen 6, 7 der Doppelstromturbine 1a sind in einem Flansch 10 des Gehäuses 2 angeordnet, wobei sich an jede Eintrittsöffnung 6, 7 eine Flut 8, 9 der Turbine 1 anschließt. Die beiden Fluten 8, 9 sind radial unterschiedlich weit zur Welle 4 der Turbine 1 beabstandet und werden bis hin zum Laufrad 3 mittels Gehäusewandung 5 voneinander getrennt. Auf diese Weise werden die Abgasströme der beiden Fluten 8, 9 getrennt voneinander auf das Laufrad 3 geleitet.
-
In der rechten Hälfte der 1 ist schematisch der prinzipielle Aufbau des Abgasabführsystems der dazugehörigen Vier-Zylinder-Brennkraftmaschine dargestellt.
-
Die beiden außenliegenden Zylinder 11, 14 bilden eine erste Zylindergruppe, deren Abgasleitungen 15a unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 15 zu einer ersten Gesamtabgasleitung 15A zusammenführen. Die zwei innenliegenden Zylinder 12, 13 bilden eine zweite Zylindergruppe, deren Abgasleitungen 16a unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 16 zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 16A zusammenführen.
-
Jeweils eine Gesamtabgasleitung 15A, 16A wird mit einer der beiden Fluten 8, 9 der Turbine 1 verbunden. Die erste Gesamtabgasleitung 15A und damit der großvolumige erste Krümmer 15 wird mit der ersten Flut 8, welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden, wohingegen die zweite Gesamtabgasleitung 16A und damit der kleinvolumige zweite Krümmer 16 mit der zweiten Flut 9, welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden wird.
-
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die beiden Abgasabführteilsysteme umfassend jeweils einen Krümmer 15, 16 und eine Flut 8, 9 stromaufwärts des Laufrades 3 ein ähnlich großes Volumen aufweisen bzw. der Unterschied in den Volumina möglichst gering ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- zweiflutige Turbine
- 1a
- Doppelstromturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 3
- Laufrad
- 4
- Drehachse, Welle
- 5
- Gehäusewandung
- 6
- erste Eintrittsöffnung
- 7
- zweite Eintrittsöffnung
- 8
- erste Flut
- 9
- zweite Flut
- 10
- Flansch
- 11
- erster Zylinder
- 12
- zweiter Zylinder
- 13
- dritter Zylinder
- 14
- vierter Zylinder
- 15
- erster Abgaskrümmer der ersten Zylindergruppe
- 15a
- Abgasleitung eines Zylinders der ersten Zylindergruppe
- 15A
- erste Gesamtabgasleitung
- 16
- zweiter Abgaskrümmer der zweiten Zylindergruppe
- 16a
- Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Zylindergruppe
- 16A
- zweite Gesamtabgasleitung
