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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Die gattungsbildende
DE 31 00 107 A1 betrifft einen Doppelturbinen-Turbolader für einen Motor mit einem ersten Turbinenrad und einem zweiten Turbinenrad, die auf einer gemeinsamen Welle in einem Doppelturbinengehäuse zur Aufnahme von Abgasen angeordnet sind. Die Doppelturbinen sind durch eine Trennung voneinander isoliert, die die Doppelturbinengehäuse des Gesamtturbinengehäuses voneinander trennt. Die Turbinengehäuse haben separate Eintrittsöffnungen zum Anschluss an isolierte Abgassysteme. Dieser Turbolader soll die Vorteile einer kleinen Turbine mit denen einer großen Turbine verbinden.
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Die
DE 10 2007 011 508 A1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer im Abgasstrang angeordneten Abgasturbine und einer Abgasrückführung, wobei der Abgasstrang eine erste und eine zweite Abgasleitung aufweist, die Abgasrückführung mit einer der Abgasleitungen verbunden ist und ein Turbinengehäuse der Abgasturbine eine erste Flut, die mit der ersten Abgasleitung verbunden ist, und eine zweite Flut, die mit der zweiten Abgasleitung verbunden ist, aufweist. Ein Turbinenrad der Abgasturbine ist mit einer ersten und einer zweiten Turbinenradschaufel versehen, die in axialer Richtung des Turbinenrades auf einander abgewandten Seiten ausgebildet sind, wobei die erste Flut einen Abgasstrom der ersten Abgasleitung zur ersten Turbinenradschaufel leitet und die zweite Flut einen Abgasstrom der zweiten Abgasleitung zur zweiten Turbinenradschaufel leitet.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet. 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.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der 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 mit Frischgemisch bzw. Ladeluft über die Einlassöffnungen.
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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.
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Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Ausgestaltung des Abgasabführsystems, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab.
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Zu berücksichtigen ist unter anderem, dass Brennkraftmaschinen zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine erhöhte Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird, sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt und dadurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader ist darin zu sehen, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie unmittelbar von der mechanischen Energie der Brennkraftmaschine bezieht und dadurch die bereitgestellte Leistung mindert, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Ein mechanischer Lader hat gegenüber einem Abgasturbolader hingegen den Vorteil, dass auch bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck bereitgestellt werden kann, denn bei einer Abgasturboaufladung wird ein reduziertes Drehmoment unterhalb einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieses reduzierte Drehmoment, wenn berücksichtigt wird, dass bei einem Abgasturbolader das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis und einer geringeren Turbinenleistung. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Motordrehzahlen hin die zur Verdichtung erforderliche Leistung nicht mehr zur Verfügung steht, was gleichbedeutend ist mit einem reduzierten Drehmoment.
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Grundsätzlich kann dabei dem reduzierten Ladedruck durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. In der Praxis wird daher häufig ein vergleichsweise kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt, in Kombination mit einer Abgasabblasung eingesetzt. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe, wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch Verwendung mehrerer Turbolader verbessert werden, beispielsweise durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, wobei mit steigender Abgasmenge bzw. Drehzahl Turbinen sukzessive zugeschaltet werden, oder auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient.
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Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über mindestens einen Abgasturbolader, wobei die Turbine eine zweiflutige Radialturbine ist, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Dabei wird das Abgas dem Laufrad häufig mittels Spiralgehäuse radial zugeführt und auf das Laufrad gelenkt, wobei die Abströmung aus dem Laufrad häufig axial erfolgt.
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Von hoher Relevanz bei der Auslegung des Abgasabführsystems ist auch die Gasdynamik im Abgassystem, wobei insbesondere der Ladungswechsel zu berücksichtigen ist.
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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.
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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.
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Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Radialturbine 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.
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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 geringer Last 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.
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Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der aufgeladenen Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
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Zielführend ist es daher, 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. In Ergänzung zu und entsprechend der Gruppierung der Zylinder wird dann eine mehrflutige, vorliegend eine zweiflutige, Turbine eingesetzt.
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Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dabei sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art gruppiert, dass die Zylinder einer Gruppe einen möglichst großen thermodynamischen Versatz aufweisen und die Druckimpulse, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden.
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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 beispielsweise 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.
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Die Stoßaufladung hat nicht nur Vorteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Die Zylinder einer Gruppe können sich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder dieser Gruppe 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 nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung der Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Der verschlechterte Ladungswechsel führt insbesondere bei steigender Last und zunehmender Drehzahl zu Nachteilen. Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt. Das Auftreten der vorstehend beschriebenen Problematik wird im Wesentlichen bestimmt von der Anzahl der Zylinder einer Gruppe bzw. dem thermodynamischem Versatz innerhalb einer Zylindergruppe.
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Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine am effektivsten betrieben wird, ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden. 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 des Turbinenlaufrades bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
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Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts des Turbinenlaufrades können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Hinsichtlich einer Stauaufladung ist es folglich vorteilhaft, die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zusammen zu führen, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts einer Turbine zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
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Im Zusammenhang mit der Gruppierung der Zylinder, beispielsweise zur Realisierung einer Stoßaufladung, müssen zwei weitere Aspekte berücksichtigt werden, die bezüglich der Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen von hoher Relevanz sind. Zum einen werden die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung zu partizipieren und die Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Zum anderen ist man grundsätzlich bemüht, die im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen. Dies hat gleich mehrere Gründe und Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich, sondern auch das Volumen sowohl der einzelnen Abgaskrümmer als auch des gesamten Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt 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 Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts des Laufrades verbessert das Ansprechverhalten der Turbine.
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Dass sich die Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zur Verbindungsstelle der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen wie vorstehend beschrieben verkürzen, kann Nachteile haben. Gegebenenfalls werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen nicht ausreichend lange voneinander getrennt. Die Wegstrecke von den Auslassöffnungen der Zylinder bis zur Verbindungsstelle, beispielsweise bis hin zum Laufrad, kann sich im Einzelfall als zu kurz erweisen.
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Ergänzend sei angemerkt, dass die Gruppierung der Zylinder nicht immer und ausschließlich der Realisierung einer Stoßaufladung dient, sondern grundsätzlich eine geeignete Maßnahme ist, um die Zylinder einer Brennkraftmaschine derart voneinander zu separieren, dass die Zylinder einer Gruppe einen möglichst großen thermodynamischem Versatz aufweisen und sich die Zylindergruppen beim Ladungswechsel möglichst wenig gegenseitig beeinflussen.
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Erhebliches Verbesserungspotential besteht auch bei der konstruktiven Auslegung der zweiflutigen Radialturbine. Nach dem Stand der Technik wird die Radialturbine häufig als Zwillingsstromturbine ausgelegt, bei der die beiden Fluten das Laufrad - in einem Querschnitt durch die Welle - nebeneinander angeordnet zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt dann im Wesentlichen bzw. exakt radial. Nach dem Stand der Technik wird für die zweiflutige Radialturbine das Laufrad verwendet, das bei einer einflutigen Turbine zum Einsatz kommt, und dies, obwohl die Strömungsbedingungen in beiden Fällen völlig unterschiedlich sind.
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Die 1a zeigt im Halbschnitt durch die Welle 28 des Laufrades 23 eine herkömmliche zweiflutige Radialturbine 21 in der Bauweise einer Zwillingsstromturbine. Ausgehend von der theoretischen Annahme, dass in beiden Fluten 21a, 21b ein gleichgroßer Druck herrscht, sogenannte Gleichbeaufschlagung (siehe auch 1c - Kurve A), nimmt das aus der ersten Flut 21a stammende Abgas 29 einen eher wellennahen Strömungsweg durch das Laufrad 23, während das aus der zweiten Flut 21b stammende Abgas 30 das Laufrad 23 weiter außen auf größeren Radien durchströmt.
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Schon dieser Unterschied führt dazu, dass die beiden Abgasströme 29, 30 während der Expansion im Laufrad 23 unterschiedlich viel Energie an die Welle 28 abgeben, d. h. die Energie der Abgasströme 29, 30 aus den beiden Zylindergruppen unterschiedlich effektiv genutzt wird und die Fluten 21a, 21b unterschiedliche Wirkungsgrade bezüglich der Ausnutzung der Abgasenthalpie aufweisen.
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Wird nun zusätzlich berücksichtigt, dass tatsächlich nicht von einer Gleichbeaufschlagung, d. h. von gleichgroßen Drücken in den beiden Fluten 21a, 21b ausgegangen werden kann, sondern vielmehr der Druck in jeder Flut 21a, 21b in unterschiedlicher Weise variiert, trägt dies zusätzlich zu Unterschieden im Wirkungsgrad der beiden Fluten 21a, 21b bei, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad der Turbine 21 weiter verschlechtert. 1c zeigt das Turbinendruckverhältnis pFlut2,in/pFlut2,out der zweiten Flut 21b, d. h. das Verhältnis von Eintrittsdruck in das Laufrad zu Austrittsdruck aus dem Laufrad, über dem Strangdruckverhältnis pFlut2,in/pFlut1,in,, d. h. dem Verhältnis der Drücke in den beiden Fluten 21a, 21b zueinander. Die Kurve D zeigt die Variationsbreite des Strangdruckverhältnisses PFlut2.in/pFlut1,in, über ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, d. h. über 720°KW.
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Das Strangdruckverhältnis kann Werte annehmen, beispielsweise 0.45, bei denen ein Rückströmen erfolgt bzw. zu befürchten ist, wie in 1b dargestellt. Der Druck in der zweiten Flut 21b ist dann deutlich größer als der Druck in der ersten Flut 21a, wobei der Druckunterschied derart groß ist, dass das aus der zweiten Flut 21b stammende Abgas 30 in die erste Flut 21a strömt. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der im Turbinengehäuse 22 ausgebildeten Gehäusewandung 22a, welche die zwei Fluten 21a, 21b in Richtung des Laufrades 23 zumindest abschnittsweise voneinander trennt, strömt das Abgas dabei direkt von der zweiten Flut 21b in die erste Flut 21a oder aber zunächst in das Laufrad 23 und wieder zurück vom Laufrad 23 in die erste Flut 21a. In beiden Fällen verschlechtert sich der Gesamtwirkungsgrad der Turbine 21 deutlich. Ein Rückströmen sollte daher in der Praxis unbedingt vermieden werden.
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In Ergänzung zu den Kurven A und D, zeigt die Kurve B bzw. C das Turbinendruckverhältnis der zweiten Flut 21b für den Fall, dass die zweite Flut 21b bzw. die erste Flut 21a mit einer Blende versperrt wird, der so genannten Einzelbeaufschlagung.
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Das Laufrad 23 verfügt über eine quer zur Welle 28 verlaufende tellerförmige Trägerplatte 24, auf deren Vorderseite 26 sich einseitig flügelartige Laufschaufeln 25 anschließen, wohingegen die Rückseite 27 laufschaufelfrei ist. Dadurch werden im Betrieb der Brennkraftmaschine einseitig aerodynamische Kräfte generiert, die das Laufrad 23 entlang der Drehachse 28 nach rechts in Richtung der Abgasabströmung ziehen. Die aerodynamischen Kräfte verursachen folglich mehr oder weniger große Axiallagerkräfte im Lager der Welle 28 des Abgasturboladers. Damit wird die Reibung in der Lagerung erhöht, was wiederum zu einem verringerten mechanischen Wirkungsgrad führt.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren zweiflutige Radialturbine optimiert ist, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- - einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft, und
- - mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter im Ansaugsystem und eine zweiflutige Radialturbine im Abgasabführsystem auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind,
bei der
- - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- - die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Radialturbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf der drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Radialturbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, wobei
- - der Verdichter ein Radialverdichter ist, und wobei
- - die Radialturbine mit zwei Laufrädern ausgestattet ist, wobei jedem Laufrad eine Flut zugeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass
- - jedes Laufrad über eine quer zur Welle verlaufende tellerförmige Trägerplatte verfügt, die eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist und an die sich einseitig auf der Vorderseite flügelartige Laufschaufeln anschließen, die entlang der Welle verlaufen, wobei die zwei Laufräder mit sich gegenüber liegenden Trägerplatten auf der Welle angeordnet sind, in der Art, dass sich die laufschaufelfreien Rückseiten der Trägerplatten abstandslos gegenüber liegen, einteilig ausgebildet sind und ein monolithisches Bauteil bilden.
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Die zweiflutige Radialturbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verfügt über zwei Laufräder. Jeder der zwei Fluten ist jeweils ein Laufrad zugeordnet, so dass jedes Laufrad - in Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Gehäusewandung - im Wesentlichen bzw. ausschließlich mit dem Abgas einer Zylindergruppe, d. h. mit Abgas aus einer einzigen Flut beaufschlagt wird. Im Einzelfall wird eine Interaktion zwischen den Fluten stromaufwärts der Laufräder vollständig unterbunden, d. h. ein Rückströmen von einer Flut in die andere Flut praktisch unmöglich gemacht. Eine derartige Ausgestaltung der Turbine gestattet es, für beide Fluten laufradseitig gleiche Bedingungen, insbesondere gleiche strömungstechnische Randbedingungen, zu schaffen, so dass die aus den Fluten stammenden Abgasströme das jeweilige Laufrad auf gleiche Weise durchströmen und - über der Zeit gemittelt - gleichgroße bzw. ähnlich große Wirkungsgrade erzielen. D. h. jede Flut bzw. jedes Laufrad nutzt die Enthalpie des dazugehörigen Abgasstroms gleich effektiv. Der Gesamtwirkungsgrad der Radialturbine wird dadurch deutlich angehoben.
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Um für beide Fluten der zweiflutigen Radialturbine laufradseitig gleiche Bedingungen zu schaffen, verfügt die erfindungsgemäße Radialturbine zumindest laufradseitig über einen symmetrischen Aufbau. Die zwei Laufräder sind spiegelbildlich zueinander auf der Welle angeordnet, wobei sich die laufschaufelfreien Rückseiten der Trägerplatten gegenüber liegen bzw. aneinander liegen. Im montierten Zustand der Radialturbine können die Trägerplatten der Laufräder und damit die Laufräder als solche an den Rückseiten lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sein.
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Dann erstrecken sich die flügelartigen Laufschaufeln des ersten Laufrades ausgehend von der Vorderseite der ersten Trägerplatte entlang der Welle in die eine Richtung und die flügelartigen Laufschaufeln des zweiten Laufrades ausgehend von der Vorderseite der zweiten Trägerplatte entlang der Welle in die entgegengesetzte Richtung.
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Der erfindungsgemäße Aufbau der Radialturbine mit zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten Laufrädern hat neben dem höheren Gesamtwirkungsgrad weitere Vorteile. Die beim Durchströmen der Laufräder in jedem Laufrad generierten aerodynamische Kräfte beeinflussen sich in vorteilhafter Weise und vermindern sich gegenseitig, soweit diese entgegensetzt gerichtet sind. Eine vollständige Kompensation dieser Kräfte, insbesondere in axialer Richtung, kann aber in der Regel nicht erzielt werden, da die Zylinder der Brennkraftmaschine einen thermodynamischen Versatz aufweisen und die Druck- und Strömungsverhältnisse der beiden Fluten sich diesem thermodynamischen Versatz entsprechend nur zeitlich versetzt ähnlich sind. Während sich die thermodynamischen Zustandsgrößen in den Fluten zu einem konkreten Zeitpunkt weiterhin unterscheiden, ergeben sich diesbezüglich über die Zeit gemittelt Ähnlichkeiten.
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Nichtsdestotrotz kompensieren sich die aerodynamischen Kräfte zumindest teilweise, weshalb auch die axialen Lagerkräfte des Abgasturboladers weniger groß sind. Mit der Reduzierung der Lagerkräfte nimmt auch die Lagerreibung ab und die Reibleistung der Radialturbine verringert ist. Auch dies trägt zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Radialturbine bei.
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Der Verdichter ist ein Radialverdichter. Bei einem Radialverdichter ist die Richtung der Abströmung aus den Laufschaufeln heraus im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Geschwindigkeits-komponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Die Anströmung kann und sollte vorzugsweise axial erfolgen.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird folglich die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren zweiflutige Radialturbine optimiert ist, insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades.
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Die Rückseiten der zwei Turbinenlaufräder sind einteilig ausgebildet, so dass sie ein monolithisches Bauteil bilden bzw. sich abstandslos gegenüber liegen. Die zwei Laufräder bilden ein Bauteil, d. h. sind stoffschlüssig untrennbar miteinander verbunden. Dies verringert die Anzahl der Bauteile, vereinfacht die Montage und gestattet, beide Laufräder mittels eines gemeinsamen Lagers auf der Welle zu lagern.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Fluten - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - bis hin zu den zwei Laufrädern mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind. Dann werden auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen bis zum Eintritt in die Laufräder mittels Gehäusewandung voneinander getrennt.
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Die Gehäusewandung weist laufradseitig ein freies zungenartiges Ende, welches vorliegend so nahe wie möglich an die Laufräder heranreichen sollte. Dies maximiert den Trennungsgrad der Fluten bzw. der Abgasabführsysteme. Ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen der Gehäusewandung und den Laufrädern muss verbleiben, damit die Laufräder ungehindert rotieren können, ohne an der Gehäusewandung zu reiben. Vorzugsweise sollte dieser Spalt aber so schmal wie möglich ausgeführt werden.
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Bei einem entsprechenden Aufbau der Radialturbine können die Trägerplatten der beiden Laufräder die Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen in Fortsetzung der Gehäusewandung beim Eintritt in die Laufräder voneinander trennen, so dass die einzelnen Abgasströme der Zylindergruppen bzw. der Fluten die Laufräder tatsächlich exklusiv und getrennt voneinander durchströmen.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die die zwei Fluten zumindest abschnittsweise voneinander trennende Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu den zwei Laufrädern endet.
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Eine Interaktion zwischen den Abgassystemen bzw. den Fluten wird vorliegend nicht unterbunden, sondern zugelassen. Die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen können im Bereich der Fluten stromaufwärts der Laufräder der Turbine miteinander kommunizieren.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das zungenartige Ende zwecks Veränderung des Zungenabstandes variabel ausgebildet ist, insbesondere zwecks Verkleinerung des Zungenabstandes in Richtung der Laufräder verlängerbar ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die tellerförmigen Trägerplatten senkrecht zur Welle verlaufen. Eine senkrecht zur Welle verlaufende Trägerplatte ist Voraussetzung für die Ausbildung eines rotationssymmetrischen Laufrades und eignet sich in besonderer Weise, um die Trägerplatte des Laufrades als Fortsetzung der Gehäusewandung auszubilden bzw. zu nutzen und auf diese Weise die Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen auch beim Eintritt in die Laufräder voneinander zu trennen.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die tellerförmigen Trägerplatten mit der Gehäusewandung fluchten.
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Vorteilhaft sind dabei insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Radialturbine zumindest in einem Halbquerschnitt, in dem die Welle liegt, symmetrisch aufgebaut ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die jeweils durch zwei benachbarte Laufschaufeln gebildeten Laufschaufelkanäle mindestens eines Laufrades im Austrittsbereich des Laufrades im Wesentlichen axial verlaufen. Die Abströmung aus den Laufschaufeln heraus erfolgt dann im Wesentlichen axial.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Steuerung des Ladungswechsels mindestens ein variabler Ventiltrieb umfassend mindestens ein Ventil für jeden Zylinder und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung der Ventile vorgesehen ist. Sollen sowohl die Steuerzeiten auf der Einlassseite als auch auf der Auslassseite variiert werden, sind mindestens zwei variable Ventiltriebe erforderlich.
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Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors, nämlich der Quantitätsregelung. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Diese Art der Laststeuerung erweist sich besonders im Teillastbereich als nachteilig, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem.
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Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten unveränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Spürbare Kraftstoffeinsparungen können aber auch mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden.
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Es gibt eine Vielzahl anderer Lösungsansätze zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren bzw. zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens. Insbesondere die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum der Zylinder wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren.
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Mittels direkter Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum kann eine geschichtete Brennraumladung realisiert werden, die zur Entdrosselung des ottomotorisches Arbeitsverfahren beiträgt, da die Brennkraftmaschine mit Hilfe des Schichtladebetriebs sehr weit abgemagert werden kann, was insbesondere im Teillastbetrieb, d. h. im unteren und mittleren Lastbereich, wenn nur geringe Kraftstoffmengen einzuspritzen sind, thermodynamische Vorteile bietet. Weitere Vorteile ergeben sich aufgrund der mit einer Direkteinspritzung prinzipbedingt verbundenen Innenkühlung des Brennraums bzw. des Gemisches.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen eine Direkteinspritzung als Kraftstoffversorgung vorgesehen ist, um Kraftstoff direkt in die mindestens zwei Zylinder einzubringen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Zylinderkopf mit vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die innenliegenden Zylinder eine erste Zylindergruppe und die außenliegenden Zylinder eine zweite Zylindergruppe bilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.
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Wie bereits dargelegt, ist eine Gruppierung der Zylinder vorteilhaft zur Realisierung einer Stoßaufladung, um die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen voneinander zu trennen, vorzugsweise bis hin zu den Laufrädern, d. h. bis zum Eintritt in die Laufräder.
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Hinsichtlich einer Stauaufladung ist es hingegen vorteilhaft, die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen zu verbinden, um ein möglichst großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbinenlaufräder zu realisieren und die Druckpulsationen im Abgassystem zu glätten.
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Ausgehend von zwei voneinander getrennten Abgasabführsystemen kann es daher vorteilhaft sein, die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander zu verbinden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln. Hierzu bieten sich verschiedene Konzepte an.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang beispielsweise Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind. Das Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine wird entsprechend der momentanen Zielsetzung konfiguriert, um die Brennkraftmaschine durch Trennen der Abgaskrümmer mittels Stoßaufladung oder durch Verbinden der Abgaskrümmer mittels Stauaufladung aufladen zu können.
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Die Verbindung der Abgaskrümmer ist eine Verbindung nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, wodurch die bereits erwähnte Restgasproblematik und die damit einhergehende Klopfproblematik im Einzelfall Vorschub erhalten und sich ganz allgemein die Problematik der gegenseitigen Einflussnahme beim Ladungswechsel verschärfen könnte.
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Vorteilhaft sind daher insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals zwischen den zwei Fluten miteinander verbindbar sind.
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Gegenüber dem Verbinden der beiden Abgaskrümmer hat diese Vorgehensweise den Vorteil, dass der die Abgasabführsysteme verbindende Überströmkanal weiter von den Auslassöffnungen der Zylinder entfernt ist, wodurch sich die Wegstrecke zwischen zwei Zylindern unterschiedlicher Gruppen im Abgassystem vergrößert. Die Gefahr der gegenseitigen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch gemindert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Die zweiflutige Radialturbine 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 Radialturbine verkürzen.
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Mit der Länge der Abgasleitungen nimmt auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Radialturbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab.
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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 Radialturbine gewährleistet werden.
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Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Zudem kann auf diese Weise an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.
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Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Laufräder der Radialturbine unterstützt die Stoßaufladung im unteren Drehzahlbereich.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Radialturbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten die zwei Laufräder - nebeneinander angeordnet - zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben eines aufgeladenen Vierzylinder-Reihenmotors einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, bei dem die innenliegenden Zylinder eine erste Zylindergruppe und die außenliegenden Zylinder eine zweite Zylindergruppe bilden, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Verbrennung abwechselnd in einem innenliegenden Zylinder und in einem außenliegenden Zylinder initiiert wird.
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Bei einer Brennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen bzw. abwechselnd einen innenliegenden Zylinder und einen außenliegenden Zylinder zu zünden. Dann weisen die Zylinder einer Gruppe den größtmöglichen thermodynamischen Versatz auf.
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Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen sich die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbinden lassen, sind Verfahrensvariante vorteilhaft, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen miteinander verbunden werden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln.
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Vorteilhaft sind dabei Varianten, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen miteinander verbunden werden, wenn die Drehzahl eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt.
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Vorteilhaft sind auch Varianten, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen miteinander verbunden werden, wenn die Last eine vorgebbare Last unterschreitet.
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Vorteilhaft sind ebenfalls Varianten, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen miteinander verbunden werden, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a, 1b, 1c und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch in einem Halbschnitt durch die Welle des Laufrades eine zweiflutige Radialturbine nach dem Stand der Technik in der Bauweise einer Zwillingsstromturbine mitsamt den Abgasströmen aus den Fluten,
- 1b am Beispiel der in 1a dargestellten Radialturbine den Zustand des Rückströmens von aus der zweiten Flut stammendem Abgas in die erste Flut,
- 1c das Turbinendruckverhältnis pFlut2,in/pFiut2,out der zweiten Flut auf der Ordinate über dem Strangdruckverhältnis pFlut2,in/pFlut1,in der beiden Fluten auf der Abszisse, und
- 2 schematisch in einem Halbschnitt durch die Welle der Laufräder die Radialturbine eines Abgasturboladers einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Die 1a, 1b und 1c wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik in der Beschreibungseinleitung erläutert, weshalb an dieser Stelle im Rahmen der Figurenbeschreibung keine weiteren Ausführungen zu diesen Figuren gemacht werden.
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2 zeigt schematisch in einem Halbschnitt durch die Welle 8 der Laufräder 3a, 3b die Radialturbine 1 eines Abgasturboladers einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Die dargestellte Radialturbine 1 ist als Zwillingsstromturbine 11 ausgebildet, bei der die beiden Fluten 1a, 1b die zwei Laufräder 3a, 3b nebeneinander angeordnet und zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Jede Flut 1a, 1b der Radialturbine 1 ist via Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Zylindergruppen verbunden (nicht dargestellt).
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Die Radialturbine 1 ist mit zwei Laufrädern 3a, 3b ausgestattet, die in einem Turbinengehäuse 2 auf einer drehbaren Welle 8 gelagert sind. Die zwei Fluten 1a, 1b sind in Richtung der Laufräder 3a, 3b in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen mittels Gehäusewandung 2a abschnittsweise voneinander getrennt, wobei die Gehäusewandung 2a laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu den zwei Laufrädern 3a, 3b endet. Insofern besteht bei der in 2 dargestellten Radialturbine 1 eine Verbindung zwischen den Fluten 1a, 1b nahe der Laufräder 3a, 3b und eine Interaktion zwischen den Fluten 1a, 1b ist grundsätzlich möglich.
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Jedes Laufrad 3a, 3b verfügt über eine senkrecht zur Welle 8 verlaufende tellerförmige Trägerplatte 4a, 4b mit einer Vorderseite 6a, 6b und einer Rückseite 7a, 7b. Auf den Vorderseiten 6a, 6b der Trägerplatten 4a, 4b schließen sich flügelartige Laufschaufeln 5a, 5b an, die jeweils entlang der Welle 8 verlaufen.
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Die beiden Laufräder 3a, 3b sind mit sich gegenüber liegenden Trägerplatten 4a, 4b auf der Welle 8 angeordnet und zwar in der Art, dass sich die laufschaufelfreien Rückseiten 7a, 7b der Trägerplatten 4a, 4b gegenüber liegen und jedem Laufrad 3a, 3b eine Flut 1a, 1b zugeordnet ist. Dabei fluchten die tellerförmigen Trägerplatten 4a, 4b mit der Gehäusewandung 2a.
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Die Radialturbine 1 weist in dem gezeigten Halbquerschnitt einen symmetrischen Aufbau auf. Auf diese Weise werden für beide Fluten 1a, 1b der zweiflutigen Radialturbine 1 laufradseitig gleiche Bedingungen geschaffen. Das aus der ersten Flut 1a stammende Abgas 9 sowie das aus der zweiten Flut 1b stammende Abgas 10 durchströmen das jeweilige Laufrad 3a, 3b auf ähnlichen, vorzugsweise gleichen, Strömungswegen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Radialturbine 1 erhöht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweiflutige Radialturbine
- 1a
- erste Flut
- 1b
- zweite Flut
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Gehäusewandung
- 3a
- erstes Laufrad
- 3b
- zweites Laufrad
- 4a
- tellerförmige Trägerplatte des ersten Laufrades
- 4b
- tellerförmige Trägerplatte des zweiten Laufrades
- 5a
- Laufschaufeln des ersten Laufrades
- 5b
- Laufschaufeln des zweiten Laufrades
- 6a
- Vorderseite der tellerförmigen Trägerplatte des ersten Laufrades
- 6b
- Vorderseite der tellerförmigen Trägerplatte des zweiten Laufrades
- 7a
- Rückseite der tellerförmigen Trägerplatte des ersten Laufrades
- 7b
- Rückseite der tellerförmigen Trägerplatte des zweiten Laufrades
- 8
- Drehachse, Welle
- 9
- Abgasstrom der ersten Flut
- 10
- Abgasstrom der zweiten Flut
- 11
- Zwillingsstromturbine
Stand der Technik: - 21
- zweiflutige Radialturbine
- 21a
- erste Flut
- 21b
- zweite Flut
- 22
- Turbinengehäuse
- 22a
- Gehäusewandung
- 23
- Laufrad
- 24
- tellerförmige Trägerplatte des Laufrades
- 25
- Laufschaufeln des Laufrades
- 26
- Vorderseite der tellerförmigen Trägerplatte des Laufrades
- 27
- Rückseite der tellerförmigen Trägerplatte des Laufrades
- 28
- Drehachse, Welle
- 29
- Abgasstrom der ersten Flut
- 30
- Abgasstrom der zweiten Flut
