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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei 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 zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete zweiflutige Turbine umfasst,
- – mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art in einem Eintrittsbereichs des Turbinengehäuses verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Eine Brennkraftmaschine der vorstehenden Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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 mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der vorliegend mindestens zwei Zylinder miteinander verbunden sind. 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 Zylinder 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 Abgasleitungssystems, hängt im Wesentlichen davon ab, hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahl bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen, ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt.
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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.
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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 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.
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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 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 dabei, 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 wird.
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Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass diese mindestens 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 konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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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 zusammenzufassen. 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 zusammenzufassen.
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Im Zusammenhang mit der Gruppierung der Zylinder zwecks 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. Eine Verkürzung der Leitungslängen und eine 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 zur Turbine gemäß dem vorstehend beschriebenen Konzept deutlich verkürzen, kann aber auch Nachteile haben. Durch die motornahe Anordnung der Turbine und/oder die Integration der Krümmer werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen gegebenenfalls nicht ausreichend lange voneinander getrennt gehalten.
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Aus den vorstehend genannten Gründen kommt erfindungsgemäß eine zweiflutige Turbine zum Einsatz, wobei die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen bis hin zu dem mindestens einen Laufrad der Turbine voneinander getrennt werden und zwar mittels mindestens einer Gehäusewandung. Hierzu werden die beiden Gesamtabgasleitungen in der Art mit der zweiflutigen Turbine verbunden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Nach dem Stand der Technik wird die Turbine in der Regel in Radialbauweise ausgeführt, 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. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle des Abgasturboladers in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft.
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Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases nach dem Stand der Technik als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt. Eine derartige Radialturbine wird beispielsweise in der
EP 1 710 415 A1 beschrieben.
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Gelegentlich wird die Turbine auch als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufradschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in axialer Richtung größer ist als die radiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Welle des Abgasturboladers, falls die Anströmung exakt axial verläuft.
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Nach dem Stand der Technik wird aber auch bei Axialturbinen der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des Abgases schräg bzw. radial zur Welle verläuft bzw. geführt wird, wozu eine Umlenkung des Abgases erforderlich ist bzw. wird. Einbußen bei der am Turbinenlaufrad zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie werden dabei in Kauf genommen. Die
EP 1 710 415 A1 beschreibt eine derartige Axialturbine.
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Um die Abgasenergie möglichst effizient nutzen zu können, sollte das Abgas möglichst wenig umgelenkt werden. Jede Richtungsänderung der Abgasströmung, beispielsweise infolge einer Krümmung des Abgasabführsystems, hat einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Enthalpieverlust zur Folge. Es sollte alles vermieden werden, was den Druck im Abgas reduziert und die an der Turbine noch zur Verfügung stehende Abgasenergie verringert.
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Darüber hinaus erschweren die zur Ausbildung des Eintrittsbereichs verwendeten Spiral- oder Schneckengehäuse die Trennung der zwei Fluten, d. h. die Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, bis hin zu dem mindestens einen Laufrad. Die Strömungsführung im Eintrittsbereich derartiger Turbinen ist derart komplex, dass das Vorsehen einer die Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung konstruktiv aufwendige Konzepte erfordert, die prinzipbedingt mit hohen Kosten verbunden sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei 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 zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete zweiflutige Turbine umfasst,
- – mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art in einem Eintrittsbereichs des Turbinengehäuses verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Turbine eine zweiflutige Axialturbine ist, und
- – der Eintrittsbereich des Turbinengehäuses koaxial zur Welle der Axialturbine verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuströmung des Abgases im Eintrittsbereich der Turbine im Wesentlichen axial erfolgt, und
- – die mindestens eine Gehäusewandung laufradseitig zumindest abschnittsweise schraubenförmig ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer zweiflutigen Turbine in Axialbauweise ausgestattet, wobei der Eintrittsbereich dieser Axialturbine im Turbinengehäuse koaxial zur Welle der Turbine verläuft und ausgebildet ist. Die radiale Zuführung des Abgases zur Turbine mittels Spiral- oder Schneckengehäuse und die damit verbundenen Nachteile entfallen.
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Das Abgas wird stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine nicht umgelenkt, um dem mindestens einen Laufrad zugeführt zu werden. Eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Abgasströmung unterbleibt, so dass unnötige Druckverluste in der Abgasströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und ein möglichst energiereiches Abgas am Laufrad bereitgestellt wird.
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Die Verwendung einer Axialturbine zusammen mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Eintrittsbereich gestattet zudem eine sehr motornahe Anordnung und damit ein dichtes Packaging, insbesondere aber eine Reduzierung der Wegstrecke, des Volumens, der Masse und damit der thermischen Trägheit des Abgasabführsystems stromaufwärts der Axialturbine.
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Der koaxial zur Welle der Axialturbine ausgebildete Eintrittsbereich im Turbinengehäuse erleichtert die Trennung der zwei Fluten, d. h. der Abgasabführsysteme bis hin zum mindestens einen Turbinenlaufrad. Die axiale Strömungsführung im Eintrittsbereich gestattet ohne konstruktiven Aufwand das Einbringen einer die Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung.
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Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Gehäusewandung laufradseitig schraubenförmig ausgebildet, um als Leiteinrichtung stromaufwärts des mindestens einen Laufrads zu fungieren. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung erhält durch diese Leiteinrichtung eine radiale Komponente, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine nochmals erhöht wird.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessert ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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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. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit geeigneten Getriebeauslegungen kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zwecks Aufladung zusätzlich ein mechanischer Lader vorgesehen ist.
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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 Zylinder bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
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Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromabwärts des Verdichters.
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Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.
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Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
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Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate bzw. des Massenanteils an Verbrennungsprodukten.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters.
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Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
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Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers zugeführt und verdichtet wird.
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Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Axialturbine eine segmentierte Axialturbine mit zwei Segmenten ist.
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Bei der vorstehenden Brennkraftmaschine werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen nicht nur bis zum Laufrad voneinander getrennt gehalten, sondern auch noch beim Durchströmen der Laufschaufeln des Laufrades, d. h. im Laufrad. Die Verbindung der Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen ist damit noch weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe weiter vergrößert wird. Ein Rückströmen ist vorliegend nur noch via rotierendem Laufrad möglich und damit sehr erschwert.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jedes Segment kreisförmig ausgebildet ist. Dabei ist eine Flut bzw. Gesamtabgasleitung innenliegend und kreisförmig zum Laufrad hin geöffnet, wobei die andere Flut bzw. Gesamtabgasleitung außenliegend, d. h. die innenliegende Flut kreisförmig ummantelnd und umschließend, ausgebildet und zum Laufrad hin geöffnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Fluten mittels einer einzelnen zusammenhängenden Gehäusewandung bis hin zu dem mindestens einen Laufrad voneinander getrennt sind.
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Während sich bei einer mehrteiligen Gehäusewandung jeweils zwischen zwei benachbarten Gehäusewandteilen ein mehr oder weniger großer Spalt ausbildet, der eine gewisse Interaktion zwischen den benachbarten Fluten zulässt, entfällt ein solcher Spalt bei einer einteiligen Gehäusewandung. Dies unterstützt die originäre Funktion der Gehäusewandung, nämlich die benachbarten Fluten weitestgehend voneinander zu trennen und eine Interaktion zwischen den Fluten zu unterbinden.
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Vorteilhaft können aber dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die die zwei Fluten voneinander trennende Gehäusewandung modular aufgebaut ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Turbinengehäuse einteilig ausgebildet ist.
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Ein monolithisch ausgebildetes Gehäuse ist gekennzeichnet durch ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise. Eine vereinfachte Montage infolge der geringeren Anzahl an Bauteilen ist ein Vorteil der dazugehörigen Turbine. Zudem ist das Gehäuse aufgrund der fehlenden Bauteilfugen gasdicht. Vorzugsweise wird das monolithische Gehäuse als gegossenes Bauteil ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Grauguss, thermisch hochbelastbaren nickelhaltigen Werkstoffen oder dergleichen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Turbinengehäuse 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.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Axialturbine über einen Austrittsbereich zum Abführen des Abgases verfügt, wobei dieser Austrittsbereich über ein Spiralgehäuse verfügt. Ein radiales Abströmen der Axialturbine via Spiralgehäuse gestattet eine kompakte Bauweise der Antriebseinheit, wodurch ein dichtes Packaging im Motorraum ermöglicht wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Gesamtabgasleitungen laufradseitig einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, d. h. zu dem mindestens einen Laufrad hin via einem halbkreisförmigen Sektor geöffnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine – zwei benachbarte Fluten trennende – Gehäusewandung mindestens eine die zwei Fluten miteinander verbindende Öffnung aufweist, welche mittels Absperrelement verschließbar ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die verbindende Öffnung laufradseitig vorgesehen ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.
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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.
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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 die 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 zu verbinden, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
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Insofern ist es vorteilhaft, die Möglichkeit vorzusehen, die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals bzw. mindestens einer Öffnung miteinander verbinden zu können.
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Dabei können mehrere Konzepte unterschieden werden, beispielsweise ein Konzept, bei dem sich die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen miteinander verbinden bzw. voneinander trennen lassen. Das Abgasabführsystem wird dann entsprechend der momentanen Zielsetzung konfiguriert, um die Brennkraftmaschine durch Trennen der Abgaskrümmer entsprechend einer Stoßaufladung oder durch Verbinden der Abgaskrümmer entsprechend einer Stauaufladung aufladen zu können. Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Konzept ist, dass durch die Verbindung der Krümmer eine Verbindung nahe den Auslassöffnungen der Zylinder realisiert wird.
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Alternativ werden die Fluten der zweiflutigen Turbine via Öffnung in der Gehäusewandung miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt. Die Fluten sind dann entweder voneinander getrennt oder miteinander verbunden, wobei die Brennkraftmaschine mittels Stoßaufladung oder mittels Stauaufladung betrieben und aufgeladen wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine – zwei benachbarte Fluten trennende – Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist, welches so nahe wie möglich an das mindestens einen Laufrad heranreicht.
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Diese Ausführungsform zielt darauf ab, die Interaktion zwischen den Abgassystemen zu minimieren, d. h. den Trennungsgrad der Fluten bzw. der Abgasabführsysteme zu erhöhen. Der Hintergrund dieser Maßnahme ist, dass ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen Gehäusewandung und Laufrad verbleiben muss, damit das Laufrad ungehindert rotieren kann, ohne an der Gehäusewandung zu reiben. Vorliegend soll dieser Spalt so schmal wie möglich ausgeführt werden.
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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.
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Die im Abgasabführsystem vorgesehene zweiflutige Axialturbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat die bereits erwähnten Vorteile. Die Abgasenthalpie kann optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
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Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des mindestens einen 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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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.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 in einem Halbschnitt und teilweise geschnitten die zweiflutige Axialturbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt in einem Halbschnitt und teilweise geschnitten die zweiflutige Axialturbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Die Axialturbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist. Zur Aufnahme der Welle 4 dient ein Lagergehäuse 9.
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Die beiden Fluten 5, 6 werden bis hin zum Laufrad 3 mittels Gehäusewandungen 2c voneinander getrennt, wobei der Abgasstrom einer ersten Zylindergruppe 7 der ersten Flut 5 und der Abgasstrom einer zweiten Zylindergruppe 8 der zweiten Flut 6 zugeführt wird.
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Der Eintrittsbereich 2a des Turbinengehäuses 2 ist koaxial zur Welle 4 der Axialturbine 1 ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zum Laufrad 3 der Axialturbine 1 im Wesentlichen axial erfolgt und das Abgas im Eintrittsbereich 2a nicht umgelenkt wird bzw. nicht umgelenkt werden muss, um dem Laufrad 3 zugeführt zu werden. Durch Strömungsumlenkung verursachte Druckverluste werden auf diese Weise vermieden, so dass ein energiereiches Abgas stromaufwärts des Laufrades 3 bereitgestellt wird. Dem Abgas kann daher mehr Energie in der Axialturbine 1 entzogen werden. Der Wirkungsgrad wird verbessert, d. h. erhöht.
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Die Axialturbine 1 verfügt austrittsseitig über ein rundum verlaufendes Spiralgehäuse 2b, über welches das Abgas im Austrittsbereich 2b der Axialturbine 1 im Wesentlichen radial abgeführt wird. Ein Verteilerring 10 dient der Umlenkung bzw. Führung der Abgasströme.
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Die Gehäusewandung 2c ist laufradseitig schraubenförmig ausgebildet und dient als Leiteinrichtung. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung stromaufwärts des Laufrads 3 erhält dadurch eine radiale Komponente, wodurch der Wirkungsgrad der Axialturbine 1 erhöht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweiflutige Axialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Eintrittsbereich
- 2b
- Austrittsbereich, Spiralgehäuse
- 2c
- Gehäusewandung
- 3
- Laufrad
- 4
- Drehachse, Welle
- 5
- erste Flut
- 6
- zweite Flut
- 7
- Abgasstrom der ersten Zylindergruppe
- 8
- Abgasstrom der zweiten Zylindergruppe
- 9
- Lagergehäuse
- 10
- Verteilerring
- AGR
- Abgasrückführung
- mAGR
- Masse an zurückgeführtem Abgas
- mFrischluft
- Masse an zugeführter Frischluft bzw. Verbrennungsluft
- xAGR
- Abgasrückführrate
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1710415 A1 [0020, 0022]
