DE102014220570A1 - Charged internal combustion engine with double-flow turbine and grouped cylinders - Google Patents

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Helmut Kindl
Andreas Kuske
Jörg Kemmerling
Vanco Smiljanovski
Franz Arnd Sommerhoff
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Abstract

Brennkraftmaschine mit min. einem Zylinderkopf mit min. zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder min. eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung anschließt, – min. zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils min. einem Zylinder bilden, – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, – min. ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine zweiflutige Turbine (1) umfasst, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine (1), in der Art in einem Eintrittsbereichs (2a) des Turbinengehäuses (2) verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5, 6) der Turbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5, 6) – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem min. einen Laufrad (3) mittels min. einer Gehäusewandung (2c) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, wobei – die Turbine (1) eine zweiflutige Axialturbine (1) ist, und – der Eintrittsbereich (2a) des Turbinengehäuses (2) koaxial zur Welle (4) der Axialturbine (1) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuströmung des Abgases im Eintrittsbereich (2a) der Turbine (1) im Wesentlichen axial erfolgt, und – die min. eine Gehäusewandung (2c) laufradseitig zumindest abschnittsweise schraubenförmig ausgebildet ist.Internal combustion engine with min. a cylinder head with min. two cylinders, in which - each cylinder min. has an outlet opening, which is followed by an exhaust pipe, - min. two cylinders are configured in such a way that these two groups each with min. form a cylinder, - merge the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group with the formation of an exhaust manifold to form an overall exhaust gas line, - min. an exhaust gas turbocharger is provided, which comprises a double-flow turbine (1), and - the two total exhaust gas lines with the twin-flow turbine (1), in the manner in an inlet region (2a) of the turbine housing (2) are connected, in each case an overall exhaust gas line with a the two floods (5, 6) of the turbine (1) is connected, wherein the two floods (5, 6) - in continuation of the total exhaust gas lines - up to the min. an impeller (3) by means of min. a housing wall (2c) are separated from each other and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups, wherein - the turbine (1) is a double-flow axial turbine (1), and - the inlet region (2a) of the turbine housing (2) coaxial with the shaft (4) Axial turbine (1) extends and is formed so that the inflow of the exhaust gas in the inlet region (2a) of the turbine (1) takes place substantially axially, and - the min. a housing wall (2c) is at least partially helically formed on the impeller side.

Description

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, 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.
The invention relates to a supercharged internal combustion engine having at least one cylinder head with at least two cylinders, in which
  • Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
  • At least two cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least one cylinder,
  • - Combine the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group to form an exhaust gas manifold, respectively to form an exhaust gas line,
  • - At least one exhaust gas turbocharger is provided which comprises a arranged in Abgasabführsystem double-flow turbine, and
  • - The two total exhaust gas lines with the twin-bladed turbine, which comprises at least one mounted in a turbine housing on a rotatable shaft and equipped with blades impeller are connected in the manner in an inlet region of the turbine housing, that in each case an overall exhaust gas line connected to one of the two floods of the turbine is, wherein the two floods - in continuation of the total exhaust pipes - up to the at least one impeller by means of at least one housing wall are separated from each other and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups.

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.An internal combustion engine of the above type is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes gasoline engines, diesel engines, but also hybrid internal combustion engines that use a hybrid combustion process, as well as hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.

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.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected to one another to form the present at least two cylinders. The cylinder head is usually used to hold the valve train. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires controls - usually in the form of valves - and actuators to operate these controls. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train. As part of the change of charge, the combustion gases are pushed out via the outlet openings of the at least two cylinders and the cylinders are filled with fresh mixture or charge air via the inlet openings.

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.The exhaust pipes, which connect to the outlet openings, are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art and are combined to form a common overall exhaust gas line or in groups to two or more total exhaust gas lines. Merging exhaust pipes to an overall exhaust line is referred to generally and in the context of the present invention as an exhaust manifold.

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.In what way the exhaust pipes of the cylinders are merged in an individual case, d. H. the specific configuration of the exhaust pipe system depends essentially on the operating ranges of the internal combustion engine to be optimized with regard to which operating ranges.

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.In supercharged internal combustion engines in which at least one turbine of an exhaust gas turbocharger is provided in the Abgasabführsystem and in the lower speed or load range, d. H. For smaller quantities of exhaust gas, to have a satisfactory performance, a so-called shock charging is sought, d. H. prefers.

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.The purpose is to use the dynamic wave processes which take place in the exhaust gas removal system, in particular during the charge exchange, for the purpose of charging and for improving the operating behavior of the internal combustion engine.

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 Auslass-öffnung 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.The evacuation of the combustion gases from a cylinder of the internal combustion engine in the context of the charge exchange is based essentially on two different mechanisms. At the beginning of the charge cycle, when the exhaust valve opens near bottom dead center, the combustion gases flow at high speed through the exhaust port into the exhaust gas discharge system due to the high pressure level prevailing in the cylinder at the end of combustion and the associated high pressure difference between the combustion chamber and the exhaust pipe. This pressure-driven flow process is accompanied by a high pressure peak, which is also referred to as Vorlassstoß and propagates along the exhaust pipe at the speed of sound, whereby the pressure degrades more or less with increasing distance due to friction, d. H. reduced.

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.In the course of the charge cycle, the pressures in the cylinder and in the exhaust line are the same, so that the combustion gases are primarily no longer pressure-driven evacuated, but are ejected as a result of the stroke of the piston.

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. At low speeds, the pre-discharge pulse can advantageously be used for boost charging, wherein short time, high pressure pulses are used as best as possible for energy use in the turbine. In this way, by means of turbocharging even with only small amounts of exhaust gas, especially at low speeds, high boost pressure ratios, ie high boost pressures can be generated on the inlet side.

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.The bumping proves to be particularly advantageous in the acceleration of the turbine wheel, d. H. when increasing the turbine speed, which can drop noticeably in idling mode of the engine or at low load and often with increased load request by means of exhaust gas flow should be raised as quickly as possible again. The inertia of the impeller and the friction in the shaft bearing delay usually an acceleration of the impeller to higher speeds and thus an immediate increase in boost pressure.

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.To be able to use the running in the Abgasabführsystem dynamic wave processes, in particular the Vorlassstöße for the supercharging to improve the performance of the engine, the pressure peaks or Vorlassstöße must be obtained in Abgasabführsystem. It is particularly advantageous if the pressure pulses in the exhaust gas lines increase, but at least do not attenuate or cancel each other out.

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.The goal is to group the cylinders in such a way or to guide the exhaust pipes together in such a way that the high pressures, in particular the Vorlassstöße the individual cylinders are obtained in Abgasabführsystem and mutual interference is largely avoided.

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.An internal combustion engine in which the cylinders are grouped is also an object of the present invention. According to the invention, at least two cylinders are configured in such a way that they form at least two groups each having at least one cylinder. The exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group lead together to form an exhaust gas manifold, forming an exhaust gas manifold. The cylinders are configured in such a way that the dynamic wave processes in the exhaust pipes of the cylinders of a group have the least adverse effect.

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.In the case of a cylinder head with four cylinders arranged in series, it is advantageous in this regard to combine two cylinders which have a firing interval of 360 ° CA, in each case into a cylinder group. If, for example, the ignition in the cylinders is initiated in accordance with the ignition sequence 1 - 2 - 4 - 3 or in accordance with the ignition sequence 1 - 3 - 4 - 2, it is advantageous for the outer cylinders to form a first group and the inner cylinders for a second group summarize.

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.In connection with the grouping of the cylinders to realize a bump charging, two further aspects must be considered, which are of high relevance with regard to the separation of the exhaust gas removal systems of the cylinder groups. On the one hand, the exhaust manifolds are increasingly being integrated into the cylinder head in order to participate in liquid cooling provided in the cylinder head and not have to manufacture the manifolds from thermally highly resilient materials which are cost-intensive. On the other hand, it is fundamentally endeavored to provide the turbine provided in the exhaust-gas removal system as close as possible to the outlet of the internal combustion engine, i. H. near the outlet openings of the cylinders. This has several reasons and advantages, especially because shorten the exhaust pipes between the cylinders and the turbine. Not only is the path of the hot exhaust gases to the turbine shortened, but also the volume of both the individual exhaust manifolds and the entire Abgasabführsystems upstream of the turbine decreases. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases. In this way, the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally utilized and a rapid response of the turbine can be ensured. A shortening of the line lengths and a concomitant reduction of the exhaust gas volume upstream of the impeller improves the response of the turbine.

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.However, the fact that the distances from the exhaust ports of the cylinders to the turbine significantly shorten according to the concept described above, but can also have disadvantages. Due to the arrangement of the turbine close to the engine and / or the integration of the manifold, the exhaust gas removal systems of the cylinder groups may not be kept separated from each other for a sufficiently long time.

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.For the reasons mentioned above, according to the invention, a double-flow turbine is used, wherein the exhaust gas removal systems of the cylinder groups are separated from each other up to the at least one impeller of the turbine by means of at least one housing wall. For this purpose, the two total exhaust pipes are connected in the manner with the twin-flow turbine, that in each case an entire exhaust line is connected to one of the two floods of the turbine, the two floods are separated from each other in continuation of the total exhaust gas to the at least one impeller by means of at least one housing and thus also the exhaust gas removal systems of the cylinder groups.

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.In the prior art, the turbine is usually carried out in radial construction, d. H. the flow of the blades takes place substantially radially. In the context of the present invention, essentially radial means that the velocity component in the radial direction is greater than the axial velocity component. The velocity vector of the flow cuts the shaft of the turbocharger at a right angle, if the flow is exactly radial.

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.In order to be able to flow radially to the rotor blades, the inlet region for supplying the exhaust gas according to the prior art is designed as a spiral or worm casing running all around, so that the inflow of the exhaust gas to the turbine takes place substantially radially. Such a radial turbine is used for example in the EP 1 710 415 A1 described.

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.Occasionally, the turbine is also designed as an axial turbine, d. H. the flow of the impeller blades takes place substantially axially. In the context of the present invention, essentially axial means that the velocity component in the axial direction is greater than the radial velocity component. The velocity vector of the flow in the region of the impeller preferably runs parallel to the shaft of the exhaust gas turbocharger, if the flow is exactly axial.

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.In the case of axial turbines, however, the inlet region for supplying the exhaust gas is often designed as a spiral or worm casing running all around, so that the flow of the exhaust gas at least in the inlet region runs or is guided obliquely or radially to the shaft, for which purpose a deflection the exhaust gas is required or is. Decreases in the exhaust gas exhaust gas available at the turbine runner are accepted. The EP 1 710 415 A1 describes such an axial turbine.

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.In order to use the exhaust energy as efficiently as possible, the exhaust gas should be deflected as little as possible. Any change in direction of the exhaust gas flow, for example as a result of a curvature of the Abgasabführsystems, has a pressure drop in the exhaust gas flow and thus enthalpy loss. Everything should be avoided which reduces the pressure in the exhaust gas and reduces the exhaust gas energy still available at the turbine.

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.Moreover, the scroll or scroll housings used to form the entrance area make it difficult to separate the two floods, i. H. the separation of Abgasabführsysteme the cylinder groups, up to the at least one impeller. The flow guidance in the inlet region of such turbines is so complex that the provision of a housing wall separating the floods requires structurally complex concepts which, in principle, are associated with high costs.

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.Against this background, it is the object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the disadvantages known from the prior art are overcome and their charging behavior is improved, in particular with regard to the efficiency.

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, 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.
This object is achieved by a supercharged internal combustion engine having at least one cylinder head with at least two cylinders, in the
  • Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
  • At least two cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least one cylinder,
  • - Combine the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group to form an exhaust gas manifold, respectively to form an exhaust gas line,
  • - At least one exhaust gas turbocharger is provided which comprises a arranged in Abgasabführsystem double-flow turbine, and
  • - The two total exhaust gas lines with the twin-bladed turbine, which comprises at least one mounted in a turbine housing on a rotatable shaft and equipped with blades impeller are connected in the manner in an inlet region of the turbine housing, that in each case an overall exhaust gas line connected to one of the two floods of the turbine is, wherein the two floods - in continuation of the total exhaust gas lines - up to the at least one impeller by means of at least one housing wall are separated from each other and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups,
and which is characterized in that
  • - The turbine is a double-flow axial turbine, and
  • - The inlet region of the turbine housing is coaxial with the shaft of the axial turbine and is formed, so that the inflow of the exhaust gas in the inlet region of the turbine takes place substantially axially, and
  • - The at least one housing wall impeller side is at least partially helical.

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.The internal combustion engine according to the invention is with a double-flow turbine in Axialbauweise equipped, wherein the inlet region of this axial turbine in the turbine housing is coaxial with the shaft of the turbine and is formed. The radial supply of the exhaust gas to the turbine by means of spiral or worm housing and the associated disadvantages eliminated.

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.The exhaust gas is not deflected upstream of the at least one impeller of the turbine to be supplied to the at least one impeller. A deflection or change in direction of the exhaust gas flow is omitted, so that unnecessary pressure losses in the exhaust gas flow due to flow deflection can be avoided and the most energy-rich exhaust gas is provided on the impeller.

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.The use of an axial turbine together with the inventively formed inlet area also allows a very close to the engine arrangement and thus a dense packaging, but especially a reduction of the distance, the volume, the mass and thus the thermal inertia of Abgasabführsystems upstream of the axial turbine.

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.The coaxial with the shaft of the axial turbine inlet formed in the turbine housing facilitates the separation of the two floods, d. H. the Abgasabführsysteme up to at least one turbine impeller. The axial flow guidance in the entry area allows without constructive effort the introduction of a flood separating the housing wall.

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.According to the invention, the at least one housing wall is helically designed on the impeller side in order to function as a guide upstream of the at least one impeller. The velocity vector of the flow is replaced by this guide a radial component, whereby the efficiency of the turbine is increased again.

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.Thus, the object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the known from the prior art disadvantages are overcome and their charging behavior is improved in particular in terms of efficiency.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.The internal combustion engine according to the invention is an internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger. An exhaust-gas turbocharger comprises a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system.

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.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.

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.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with suitable transmission designs and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved. Charging therefore supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.

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.Compared to a mechanical supercharger, the advantage of an exhaust gas turbocharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly from the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.

Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zwecks Aufladung zusätzlich ein mechanischer Lader vorgesehen ist.Nevertheless, embodiments of the internal combustion engine may be advantageous in which for the purpose of charging additionally a mechanical charger is provided.

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.Preferably, a charge air cooling is provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder. As a result, the density of the charge air supplied continues to increase. The cooling also contributes in this way to a compression and better filling of the cylinder. It may be advantageous to equip the intercooler with a bypass line in order to bypass the intercooler when necessary, for example, after a cold start.

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.The torque characteristic of the supercharged internal combustion engine can be improved by providing a plurality of superchargers, exhaust gas turbochargers and / or mechanical superchargers, arranged in parallel and / or in series.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Axialturbine eine segmentierte Axialturbine mit zwei Segmenten ist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the double-flow axial turbine is a segmented axial turbine having two segments are advantageous.

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.In the above internal combustion engine, the Abgasabführsysteme the cylinder groups are kept apart not only up to the impeller, but also when flowing through the blades of the impeller, d. H. in the wheel. The connection of the Abgasabführsysteme the two cylinder groups is thus arranged even farther away from the outlet openings of the cylinder, whereby the Abgasleitungsmäßig distance between a cylinder of a group and a cylinder of the other group is further increased. A backflow is present only possible via a rotating impeller and thus very difficult.

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.In this context, embodiments of the internal combustion engine in which each segment is circular are advantageous. In this case, a tide or total exhaust gas line is open inside and circular to the impeller out, the other tide or total exhaust line outside, d. H. the inner flood circular encasing and enclosing, trained and opened to the impeller.

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.Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the two floods are separated by means of a single contiguous housing wall to the at least one impeller.

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.While a more or less large gap is formed in each case between two adjacent housing wall parts in a multi-part housing wall, which permits a certain interaction between the adjacent floods, such a gap does not apply to a one-part housing wall. This supports the original function of the housing wall, namely to separate the neighboring floods as much as possible and to prevent an interaction between the floods.

Vorteilhaft können aber dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die die zwei Fluten voneinander trennende Gehäusewandung modular aufgebaut ist.However, embodiments of the internal combustion engine may nevertheless be advantageous in which the housing wall separating the two floods is of modular design.

Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen das Turbinengehäuse einteilig ausgebildet ist.Also advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the turbine housing is formed integrally.

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.A monolithically designed housing is characterized by a low weight and a compact design. A simplified assembly due to the smaller number of components is an advantage of the associated turbine. In addition, the housing is gas-tight due to the lack of component joints. Preferably, the monolithic housing is formed as a cast component, such as aluminum, steel, gray cast iron, thermally highly resilient nickel-containing materials or the like.

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.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one housing wall is an immovable wall fixedly connected to the turbine housing are advantageous. This embodiment of the housing wall ensures that the heat introduced by the hot exhaust gas into the housing wall is dissipated in an advantageous manner and to a sufficient extent into and via the housing.

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.Embodiments of the internal combustion engine in which the axial turbine has an outlet region for discharging the exhaust gas are advantageous, this outlet region having a spiral housing. A radial outflow of the axial turbine via spiral housing allows a compact design of the drive unit, whereby a dense packaging in the engine compartment is made possible.

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.Embodiments of the internal combustion engine in which the two exhaust pipes have a semicircular cross section on the impeller side are advantageous, ie. H. are open to the at least one impeller via a semi-circular sector.

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.Advantageously, embodiments of the internal combustion engine in which the at least one - two adjacent floods separating - housing has at least one wall connecting the two floods, which is closable by means of shut-off.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die verbindende Öffnung laufradseitig vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which the connecting opening is provided on the impeller side are advantageous.

Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.Embodiments of the internal combustion engine may also be advantageous in which the two exhaust manifolds of the two cylinder groups can be connected to one another by releasing at least one overflow channel.

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.The bump charging not only has advantages. As a rule, the charge cycle deteriorates as a result of the pressure pulses in the exhaust gas removal system. The cylinders of a group can interfere with each other during the charge change, ie impair. The pressure waves emanating from a cylinder, not only run through the at least one exhaust pipe of this cylinder, but also along the exhaust pipes of the other cylinders of this group and possibly up to the provided at the end of the respective line Outlet. Exhaust gas that has already been ejected or discharged into an exhaust gas line during the charge exchange can therefore again enter the cylinder as a result of the pressure wave that emanates from another cylinder. It proves to be disadvantageous, in particular, if overpressure prevails at the outlet opening of one cylinder towards the end of the charge change or if the pressure wave of another cylinder propagates along the exhaust pipe in the direction of the outlet opening, which counteracts the evacuation of the combustion gases from this cylinder. The combustion gases are significantly pushed out in this phase of the charge change as a result of the stroke of the piston. In some cases, even exhaust gas that originates from one cylinder can get into another cylinder before its outlet closes. The deteriorated charge cycle leads to disadvantages especially with increasing load and increasing speed. The exhaust gas in the cylinder, ie the residual gas content remaining in the cylinder, has a significant influence on the knocking behavior of a spark-ignited internal combustion engine, with the risk of knocking combustion increasing with increasing proportion of exhaust gas.

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.Furthermore, it has to be taken into account that a turbine is operated most effectively without being intermittently and without changing parts. In order to be able to optimally operate the turbine provided downstream of the cylinders in the exhaust gas removal system at high engine speeds, the turbine should be subjected to an exhaust gas pressure that is as constant as possible in time, which is why a slightly changing pressure upstream of the turbine wheel is preferred in order to realize so-called congestion charging.

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.By a correspondingly large volume of exhaust gas upstream of the turbine impeller, the pressure pulsations in the exhaust pipes can be smoothed. Thus, with regard to accumulation, it is advantageous to connect the exhaust pipes of all cylinders to maximize the exhaust volume of the exhaust system upstream of the turbine and to minimize pressure fluctuations.

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.In this respect, it is advantageous to provide the possibility of being able to connect the two exhaust gas removal systems of the two cylinder groups by releasing at least one overflow channel or at least one opening.

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.In this case, a plurality of concepts can be distinguished, for example, a concept in which the two exhaust manifolds of the two cylinder groups connect with each other or can be separated from each other. The exhaust gas discharge system is then configured in accordance with the current objective to be able to charge the engine by disconnecting the exhaust manifolds in accordance with a bumping charge or by connecting the exhaust manifolds according to a bum-up charge. A disadvantage of the concept described above is that the connection of the manifold a connection is realized near the outlet openings of the cylinder.

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.Alternatively, the floods of the twin-flow turbine via opening in the housing wall are connected to each other or separated. The floods are then either separated from each other or connected to each other, wherein the internal combustion engine is operated and charged by means of shock charging or by means of static charge.

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. Advantageously, embodiments of the internal combustion engine in which the at least one - two adjacent floods separating - housing wall impeller side has a free tongue-like end, which comes as close as possible to the at least one impeller.

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.This embodiment aims to minimize the interaction between the exhaust systems, i. H. to increase the degree of separation of the floods or Abgasabführsysteme. The background of this measure is that a more or less large gap between the housing wall and the impeller must remain, so that the impeller can rotate freely without rubbing against the housing wall. In the present case, this gap should be made as narrow as possible.

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.Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group within the cylinder head together to form two exhaust manifolds each lead to an overall exhaust gas line are advantageous.

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.The provided in Abgasabführsystem double-flow axial turbine can then very close to the outlet of the internal combustion engine, d. H. be arranged close to the outlet openings of the cylinder. This has the advantages already mentioned. The exhaust enthalpy can be optimally used and a fast response of the turbine can be ensured.

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.The integration of the exhaust manifold in the cylinder head further leads to a compact design of the at least one cylinder head and thus the internal combustion engine according to the invention and allows a dense packaging of the entire drive unit. In addition, in this way it is possible to participate in a liquid cooling system, which may be provided in the cylinder head, so that the manifolds do not have to be manufactured from thermally highly stressable and thus cost-intensive materials.

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. Embodiments of the internal combustion engine in which at least one exhaust aftertreatment system is provided in the exhaust gas removal system are advantageous; For example, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, a storage catalyst, a selective catalyst and / or a particulate filter.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:In the following the invention with reference to an embodiment and according to 1 described in more detail. Hereby shows:

1 in einem Halbschnitt und teilweise geschnitten die zweiflutige Axialturbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. 1 in a half section and partially cut the double-flow axial turbine of a first embodiment of the internal combustion engine.

1 zeigt in einem Halbschnitt und teilweise geschnitten die zweiflutige Axialturbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. 1 shows in half section and partially cut the double-flow axial turbine 1 a first embodiment of the internal combustion engine.

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.The axial turbine 1 has a turbine housing 2 in which an impeller 3 on a rotatable shaft 4 is stored. To pick up the shaft 4 serves a bearing housing 9 ,

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.The two floods 5 . 6 be right down to the wheel 3 by means of housing walls 2c separated, wherein the exhaust stream of a first cylinder group 7 the first flood 5 and the exhaust gas flow of a second cylinder group 8th the second flood 6 is supplied.

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.The entrance area 2a of the turbine housing 2 is coaxial with the shaft 4 the axial turbine 1 designed so that the inflow of the exhaust gas to the impeller 3 the axial turbine 1 takes place substantially axially and the exhaust gas in the inlet region 2a is not deflected or does not need to be deflected to the impeller 3 to be fed. Flow losses caused by pressure losses are avoided in this way, so that a high-energy exhaust gas upstream of the impeller 3 provided. The exhaust gas can therefore more energy in the axial turbine 1 be withdrawn. The efficiency is improved, ie increased.

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.The axial turbine 1 has an all-round spiral housing on the outlet side 2 B over which the exhaust gas in the exit area 2 B the axial turbine 1 is discharged substantially radially. A distribution ring 10 serves to deflect or guide the exhaust gas streams.

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.The housing wall 2c is impeller-shaped helical and serves as a guide. The velocity vector of the flow upstream of the impeller 3 receives thereby a radial component, whereby the efficiency of the axial turbine 1 is increased.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
zweiflutige Axialturbine double-flow axial turbine
22
Turbinengehäuse turbine housing
2a2a
Eintrittsbereich entry area
2b2 B
Austrittsbereich, Spiralgehäuse Exit area, spiral housing
2c2c
Gehäusewandung housing
33
Laufrad Wheel
44
Drehachse, Welle Rotation axis, shaft
55
erste Flut first tide
66
zweite Flut second tide
77
Abgasstrom der ersten Zylindergruppe Exhaust flow of the first cylinder group
88th
Abgasstrom der zweiten Zylindergruppe Exhaust flow of the second cylinder group
99
Lagergehäuse bearing housing
1010
Verteilerring distribution ring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1710415 A1 [0020, 0022] EP 1710415 A1 [0020, 0022]

Claims (12)

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 (1) umfasst, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der zweiflutigen Turbine (1), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad (3) umfasst, in der Art in einem Eintrittsbereichs (2a) des Turbinengehäuses (2) verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5, 6) der Turbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5, 6) – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (3) mittels mindestens einer Gehäusewandung (2c) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Turbine (1) eine zweiflutige Axialturbine (1) ist, – der Eintrittsbereich (2a) des Turbinengehäuses (2) koaxial zur Welle (4) der Axialturbine (1) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Zuströmung des Abgases im Eintrittsbereich (2a) der Turbine (1) im Wesentlichen axial erfolgt, und – die mindestens eine Gehäusewandung (2c) laufradseitig zumindest abschnittsweise schraubenförmig ausgebildet ist. Supercharged internal combustion engine having at least one cylinder head with at least two cylinders, in which - each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder via Abgasabführsystem and connects to each outlet an exhaust pipe, - at least two cylinders are configured in the way that this form two groups, each with at least one cylinder, - merge the exhaust gas lines of the cylinder of each cylinder group to form an exhaust manifold to form an overall exhaust gas line, - at least one exhaust gas turbocharger is provided, which is arranged in the Abgasabführsystem two-flow turbine ( 1 ), and - the two exhaust gas lines with the twin-flow turbine ( 1 ), which at least one in a turbine housing ( 2 ) on a rotatable shaft ( 4 ) and equipped with blades impeller ( 3 ), in the manner in an entry area ( 2a ) of the turbine housing ( 2 ), that in each case a total exhaust gas line with one of the two floods ( 5 . 6 ) of the turbine ( 1 ), the two floods ( 5 . 6 ) - in continuation of the total exhaust gas lines - up to the at least one impeller ( 3 ) by means of at least one housing wall ( 2c ) and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups, characterized in that - the turbine ( 1 ) a double-flow axial turbine ( 1 ), - the entrance area ( 2a ) of the turbine housing ( 2 ) coaxial with the shaft ( 4 ) of the axial turbine ( 1 ) runs and is formed, so that the inflow of the exhaust gas in the inlet region ( 2a ) of the turbine ( 1 ) takes place substantially axially, and - the at least one housing wall ( 2c ) is at least partially helically formed on the impeller side. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Axialturbine (1) eine segmentierte Axialturbine (1) mit zwei Segmenten ist.Supercharged internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the double-flow axial turbine ( 1 ) a segmented axial turbine ( 1 ) with two segments. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment kreisförmig ausgebildet ist.Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that each segment is circular. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Fluten (5, 6) mittels einer einzelnen zusammenhängenden Gehäusewandung (2c) bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (3) voneinander getrennt sind.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the two floods ( 5 . 6 ) by means of a single contiguous housing wall ( 2c ) up to the at least one impeller ( 3 ) are separated from each other. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gehäusewandung (2c) eine unbewegliche und fest mit dem Turbinengehäuse (2) verbundene Wand (2c) ist.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that at least one housing wall ( 2c ) an immovable and fixed to the turbine housing ( 2 ) connected wall ( 2c ). Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialturbine (1) über einen Austrittsbereich (2b) zum Abführen des Abgases verfügt, wobei dieser Austrittsbereich (2b) über ein Spiralgehäuse (2b) verfügt.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the axial turbine ( 1 ) over an exit area ( 2 B ) for discharging the exhaust gas, said exit region ( 2 B ) via a spiral housing ( 2 B ). Aufgeladene nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gesamtabgasleitungen laufradseitig einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.Supercharged according to one of the preceding claims, characterized in that the two total exhaust pipes impeller side have a semi-circular cross-section. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine – zwei benachbarte Fluten (5, 6) trennende – Gehäusewandung (2c) mindestens eine die zwei Fluten (5, 6) miteinander verbindende Öffnung aufweist, welche mittels einem Absperrelement verschließbar ist.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one - two adjacent floods ( 5 . 6 ) separating housing wall ( 2c ) at least one of the two floods ( 5 . 6 ) having interconnecting opening which is closable by means of a shut-off element. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verbindende Öffnung laufradseitig vorgesehen ist.Supercharged internal combustion engine according to claim 8, characterized in that the connecting opening is provided on the impeller side. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the two exhaust manifolds of the two cylinder groups can be connected to each other by releasing at least one overflow channel. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine – zwei benachbarte Fluten (5, 6) trennende – Gehäusewandung (2c) laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist, welches so nahe wie möglich an das mindestens einen Laufrad (3) heranreicht. Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one - two adjacent floods ( 5 . 6 ) separating housing wall ( 2c ) impeller-side has a free tongue-like end which as close as possible to the at least one impeller ( 3 ). Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Supercharged internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas lines of the cylinder merge each cylinder group within the cylinder head to form two exhaust manifolds in each case to form an overall exhaust gas line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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