DE102015205822A1

DE102015205822A1 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Turbinen und schaltbaren Auslassöffnungen und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015205822A1
Application number: DE102015205822.0A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Aufgeladene Vier-Takt-Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei Zylindern (3), bei der – ein Ansaugsystem vorgesehen ist, – jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4a, 4b) aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, – mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, – die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung (5a) mindestens einer schaltbaren Auslassöffnung (4a) jedes Zylinders (3) in eine erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, welche mit der Turbine (8a) eines ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und die Abgasleitungen (5a, 5b) der anderen Auslassöffnungen (4a, 4b) der mindestens zwei Zylinder (3) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) eines zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, – zumindest jede schaltbare Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem schaltbaren Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung (4a) zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h während einer Öffnungsdauer ∆t freigibt, wobei – eine mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) zumindest antriebsverbindbare Elektromaschine (14) vorgesehen ist, die geeignet ist, als Generator (14a) Leistung von der ersten Turbine (8a) aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Vier-Takt-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern vorgesehen ist,
– jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung mindestens einer schaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
– der Verdichter des ersten Abgasturboladers in einer ersten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet ist, wobei in der ersten Ansaugleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
– zumindest jede schaltbare Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem schaltbaren Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h während einer Öffnungsdauer ∆t freigibt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und 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.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen mit Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt. Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen 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 vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase. Ein im Abgasabführsystem angeordneter Abgasturbolader führt aber zu einem erhöhten Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine, wodurch der Ladungswechsel nachteilig beeinflusst werden kann.
Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine des Laders zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine. Dadurch wird die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
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. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich könnte dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen bzw. großen Abgasmengen, uneingeschränkt möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist. Zudem wird das abgeblasene Abgas nach dem Stand der Technik ohne weitere Verwendung an der Turbine vorbei geführt, ohne dass die im heißen Abgas verfügbare Energie genutzt wird.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Drehzahl bzw. steigender Abgasmenge gemäß der sogenannten Registeraufladung Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Turbinen ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine Turbine, nämlich die Turbine eines ersten Abgasturboladers, kann dabei als zuschaltbare Turbine ausgebildet werden, welche nur bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt wird, d. h. aktiviert wird.
Um diese erste Turbine als zuschaltbare Turbine deaktivieren bzw. aktivieren, d. h. abschalten bzw. zuschalten zu können, muss eine Schalteinrichtung vorgesehen werden. Vorliegend übernimmt der Ventiltrieb die Funktion einer Schalteinrichtung. Erfindungsgemäß wird hierzu jeder Zylinder mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist. Die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung mindestens einer schaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.
Ein Abschalten der schaltbaren Auslassöffnungen, deren Abgasleitungen unter Ausbildung des ersten Abgaskrümmers zu der ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, schneidet die Turbine des ersten Abgasturboladers von der Abgasversorgung ab, wodurch diese Turbine abgeschaltet wird. Bei größeren Abgasmengen bzw. höheren Drehzahlen können diese schaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet werden, so dass die schaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt wird.
Damit kann die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden, insbesondere das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen spürbar angehoben werden.
Dass die Schalteinrichtung erfindungsgemäß vom Ventiltrieb mit ausgebildet wird und nicht im Abgasabführsystem bzw. in der ersten Turbine selbst angeordnet ist, hat den wesentlichen Vorteil, dass diese Schalteinrichtung – das jeweilige Auslassventil ausgenommen – thermisch nicht hoch beansprucht wird. Eine Funktionsstörung oder Leckage der Schalteinrichtung ist daher nicht zu befürchten. Die Lebenserwartung der Schalteinrichtung steigt. Zudem ist ein Ventiltrieb zur Durchführung des Ladungswechsels bereits vorhanden, so dass keine zusätzliche Schalteinrichtung vorgesehen werden muss. Der bereits vorhandene Ventiltrieb muss lediglich schaltbar bzw. variabel ausgeführt werden.
Nichtsdestotrotz weisen derartige Brennkraftmaschinen noch Verbesserungspotential auf, denn nach dem Stand der Technik wird die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers, welche bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine ständig mit heißen Abgas beaufschlagt wird, mit einer Bypassleitung ausgestattet und Abgas abgeblasen, um den Ladedruck zu begrenzen, die Schluckgrenze der Turbine einzuhalten und die thermische Überlastung der Turbine zu vermeiden. Das abgeblasene Abgas wird nach dem Stand der Technik abgeblasen, ohne dass die im heißen Abgas verfügbare Energie genutzt wird. Könnte die Energie hingegen genutzt werden, ließe sich der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter steigern.
Wird die erste Turbine gemäß dem Stand der Technik als zuschaltbare Turbine ausgebildet, ergeben sich weitere Nachteile. Die Drehzahl der Turbine fällt bei Deaktivierung stark ab, so dass bei erneutem Zuschalten das Laufzeug dieser Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich folglich.
Um eine Mindestdrehzahl der zuschaltbaren Turbine sicherzustellen, könnte die zuschaltbare Turbine auch bei abgeschalteten Auslassöffnungen mit einem kleinen Abgasstrom versorgt werden. Hierzu müsste eine entsprechende Leitung den zweiten Abgaskrümmer mit der ersten Turbine gegebenenfalls unter Verwendung mindestens eines zusätzlichen Absperrelementes verbinden, wodurch aber die Komplexität und der Raumbedarf des Abgasleitungssystems stromaufwärts der Turbinen in unvorteilhafter Weise zunehmen.
Ein weiterer Nachteil bei Einsatz einer zuschaltbaren Turbine der vorstehend beschriebenen Art, bei der zuschaltbare Auslassöffnungen als Mittel zum Schalten Verwendung finden, besteht darin, dass beim Zuschalten der Auslassöffnungen zwecks Zuschalten der Turbine der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom schlagartig abnimmt, da dem Abgas während des Ladungswechsels nunmehr je Zylinder eine weitere Auslassöffnung, nämlich die zugeschaltete Auslassöffnung, zur Verfügung steht. Beim Zuschalten der ersten Turbine vermindert sich dann der mit dem zweiten Verdichter generierte Ladedruck abrupt. Der mit dem Ladedruckabfall einhergehende Drehmomentabfall ist unerwünscht. Insofern sind Maßnahmen erforderlich, um das transiente Verhalten der Abgasturboaufladung zu verbessern.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können und die insbesondere über einen verbesserten Wirkungsgrad verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Vier-Takt-Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern vorgesehen ist,
– jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung mindestens einer schaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
– der Verdichter des ersten Abgasturboladers in einer ersten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet ist, wobei in der ersten Ansaugleitung ein Absperrelement angeordnet ist, und
– zumindest jede schaltbare Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem schaltbaren Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h während einer Öffnungsdauer ∆t freigibt, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– eine mit der Turbine des ersten Abgasturboladers zumindest antriebsverbindbare Elektromaschine vorgesehen ist, die geeignet ist, als Generator Leistung von der ersten Turbine aufzunehmen.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über eine Elektromaschine, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers zwecks Antriebs verbunden ist bzw. verbunden werden kann. Eine mit der ersten Turbine antriebsverbundene Elektromaschine kann als Generator betrieben werden und Leistung von der Turbine aufnehmen.
Die Elektromaschine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird im Bedarfsfall, d. h. zumindest zeitweise, als Generator verwendet und betrieben, um elektrische Energie zu gewinnen bzw. Energie zurück zu gewinnen, d. h. Abgasenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die vom Abgasstrom an die erste Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird folglich nicht ausschließlich für den Antrieb des auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt, sondern zumindest teilweise von der als Generator betriebenen Elektromaschine aufgenommen.
Die Notwendigkeit, die Turbine des zweiten Abgasturboladers mit einer Bypassleitung auszustatten und Abgas abzublasen, um den Ladedruck zu begrenzen bzw. einzustellen, die Schluckgrenze der zweiten Turbine einzuhalten und die thermische Überlastung der zweiten Turbine zu vermeiden, entfällt. Vielmehr kann an der zweiten Turbine überschüssiges Abgas in der ersten Turbine zur Energiegewinnung genutzt werden anstatt dieses Abgas ungenutzt abzublasen. Diese Vorgehensweise kann auch dazu dienen, den Abgasgegendruck stromaufwärts der zweiten Turbine zu senken, falls dies erforderlich erscheint, beispielsweise um den Ladungswechsel zu verbessern.
Die im heißen Abgas verfügbare Energie wird genutzt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine gesteigert wird. Mit einem Wegfall der Bypassleitung wird die Abgasturboaufladung vereinfacht, kompakter und kostengünstiger.
Die mittels Generatorbetrieb gewonnene Leistung muss nicht sofort verwendet werden, sondern kann gespeichert werden. Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen die vom Generator aufgenommene Leistung als elektrische Energie in einer Batterie gespeichert wird.
Im Generatorbetrieb der Elektromachine wird der in einer ersten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnete Verdichter des ersten Abgasturboladers deaktiviert, indem ein in der ersten Ansaugleitung angeordnetes Absperrelement geschlossen wird.
Auf diese Weise wird der erste Verdichter bei abgeschalteter erster Turbine bzw. im Generatorbetrieb vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt und sichergestellt, dass der zweite Verdichter nicht in den ersten Verdichter hinein fördert. Damit der erste Verdichter aber nicht gegen den Widerstand des verschlossenen Absperrelementes fördert, ist es vorteilhaft, eine Abblaseleitung vorzusehen, über welche die durch den ersten Verdichter hindurchgeführte Ladeluft in eine zweite Ansaugleitung stromaufwärts des zweiten Verdichters gefördert werden kann. In dieser Abblaseleitung ist ein weiteres Absperrelement anzuordnen.
Auch wenn die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht a priori mit einer Abblaseleitung ausgestattet werden muss und ein Generator bzw. eine Elektromaschine als Hilfsantrieb den Verzicht auf eine derartige Leitung ermöglicht, kann es vorteilhaft sein, gemäß einer Ausführungsform eine Abgasabblasung vorzusehen, nämlich beispielsweise für den Fall, dass eine vorgesehene Batterie ihren maximalen Ladezustand erreicht hat oder aus einem anderen Grund kein Bedarf für mittels Generator gewonnene elektrische Energie vorliegt.
Die mit der ersten Turbine antriebsverbindbare Elektromaschine muss erfindungsgemäß nicht a priori auch als Hilfsantrieb verwendbar sein, kann aber gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform als Hilfsantrieb betrieben werden, und Leistung an den ersten Abgasturboladers, d. h. an den ersten Verdichters bzw. die erste Turbine, abgeben.
Bei einer Elektromaschine, die auch als zuschaltbarer Hilfsantrieb verwendet und betrieben werden kann, wird dann vorzugsweise die im Generatorbetrieb gewonnene Energie zum Antrieb des Hilfsantriebs genutzt, ohne dass zusätzlich Energie bereitgestellt werden müsste.
Mittels Hilfsantrieb lässt sich das Ansprechverhalten und damit das Betriebsverhalten der Abgasturboaufladung und somit der Brennkraftmaschine deutlich verbessern.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht einen Betriebsmodus, in welchem die Turbine des zweiten Abgasturboladers zwecks Ladedruckaufbau von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine des ersten Abgasturboladers deaktiviert ist. Hierzu werden die schaltbaren Auslassöffnungen der Zylinder, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, abgeschaltet.
Ein Betriebsmodus, bei dem sämtliche schaltbaren Auslassöffnungen zugeschaltet und betätigt werden und beide Turbinen zwecks Ladedruckaufbau von den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt werden, lässt sich ebenfalls realisieren. Eine Teilabschaltung der Zylinder konstituiert einen dritten Betriebsmodus.
Ein weiterer Betriebsmodus ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine des zweiten Abgasturboladers zwecks Ladedruckaufbau von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine des ersten Abgasturboladers eine als Generator dienende Elektromaschine antreibt, wozu die schaltbaren Auslassöffnungen der Zylinder, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, entsprechend betätigt werden.
Eine schaltbare Auslassöffnung im erfindungsgemäßen Sinne kann eine Auslassöffnung sein, die nur zugeschaltet oder abgeschaltet werden kann, ist aber vorzugsweise eine Auslassöffnung, deren zugehöriges Auslassventil hinsichtlich Ventilhub ∆h und/oder Öffnungsdauer ∆t variabel, d. h. verstellbar ist, stufig oder stufenlos.
Es gibt somit Fälle, in denen ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und versperrt, als auch Fälle, in denen ein abgeschaltetes Auslassventil mit einem verkleinerten Hub und/oder einer verkürzten Öffnungsdauer betrieben wird.
Wird ein abgeschaltetes Auslassventil mit einem verkleinerten Hub und/oder einer verkürzten Öffnungsdauer betrieben, kann eine Mindestdrehzahl der ersten Turbine sichergestellt werden, da die erste Turbine auch bei abgeschalteten Auslassöffnungen mit einem kleinen Abgasstrom versorgt wird. Das Ansprechverhalten verbessert sich deutlich. Beim Zuschalten der Auslassöffnungen nimmt der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom auch nicht schlagartig ab, so dass der mit dem zweiten Verdichter generierte Ladedruck nicht abrupt abfällt. Dies verbessert das transiente Verhalten der Abgasturboaufladung.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht sowohl die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, als auch einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit der die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können und die insbesondere über einen verbesserten Wirkungsgrad verfügt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des zweiten Abgasturboladers keine Bypassleitung aufweist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe nur eine schaltbare Auslassöffnung aufweist, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet. Diese Ausführungsform erfüllt die Mindestanforderungen, die an die erste Zylindergruppe und ihre Auslassöffnungen zu stellen sind, damit die erste Turbine beispielsweise abgeschaltet werden kann. Hierzu müssen nämlich die Zylinder der ersten Zylindergruppe mindestens eine schaltbare Auslassöffnung aufweisen, wobei es sich um die Auslassöffnungen handelt bzw. handeln muss, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe als schaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind. Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder der ersten Zylindergruppe auch ausschließlich mit schaltbaren Auslassöffnungen ausgestattet werden können und dies insbesondere der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entgegen steht, auch wenn dieses Ausstattungsmerkmal über die Mindestanforderungen hinausgeht.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen

– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als schaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind.

Die Brennkraftmaschine gemäß der vorstehenden Ausführungsform gestattet eine sogenannte Teilabschaltung.
Ein Lösungsansatz zur Erhöhung des Wirkungsgrades, d. h. zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bietet die Teilabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.
Der Wirkungsgrad eines Ottomotors kann im Teillastbetrieb durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass eine Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse zudem eine verbesserte Gemischbildung auf.
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, stellt die Teilabschaltung auch bei Dieselmotoren ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs dar.
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
Zur Realisierung einer Teilabschaltung sind die mindestens zwei Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in der Art konfiguriert, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ist ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe ist als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet.
Darüber hinaus sind sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als schaltbare Auslassöffnungen ausgebildet, so dass die zweite Zylindergruppe bei Teilabschaltung vollständig vom Abgasabführsystem abgetrennt werden kann, d. h. kein Abgas in das Abgasabführsystem hinein fördert. Die Brennkraftmaschine gemäß der vorstehenden Ausführungsform ermöglicht somit den Betriebsmodus der Teilabschaltung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu Gesamtabgasleitungen zusammenführen.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf verringert die Masse und die Länge der Abgasabführsysteme von den Auslassöffnungen bis hin zu den Turbinen und den Abgasnachbehandlungssystemen. Dadurch lässt sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbolader gewährleisten. Zudem erreichen stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit. Gegebenenfalls kann an einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, in der Weise, dass die Krümmer nicht aus hochtemperaturfesten Werkstoffen gefertigt werden müssen.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass eine Gesamtabgasleitung auf der von der Montage-Stirnseite abgewandten Seite einer anderen Gesamtabgasleitung angeordnet ist.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform liegen die beiden Abgaskrümmer zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander, denn die eine Gesamtabgasleitung ist auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet.
Sind die mindestens zwei Zylinder entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnet, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mindestens zwei Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes versetzt angeordnet sind.
Vorliegend sind die Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet. Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtabgasleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt trotz kompakter Bauweise genügend Bauraum zwischen den Gesamtabgasleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtabgasleitungen entlang der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert auch die Anordnung von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen, falls eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil ist.
Sowohl in den Fällen, in denen ein abgeschaltetes Auslassventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und versperrt, als auch in den Fällen, in denen ein abgeschaltetes Auslassventil mit einem verkleinerten Hub betrieben wird, können zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei der das schaltbare Auslassventil ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil ist, Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet wird, indem der zugehörige Ventilhub zunehmend vergrößert wird.
Werden Hubventile verwendet, die nicht nur schaltbar sind, d. h. nicht nur zugeschaltet und abgeschaltet werden können, sondern im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbar sind, kann der Ventilhub ∆h sukzessive vergrößert werden. Auf diese Weise kann der via zugeschalteter Auslassöffnung aus einem Zylinder abgeführte Abgasstrom sukzessive, d. h. nach und nach, erhöht werden und braucht nicht schlagartig in vollem Umfang realisiert zu werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h zweistufig verstellbares Auslassventil ist. Vorliegend wird ein abgeschaltetes Auslassventil zugeschaltet, indem der zugehörige Ventilhub in einem Schritt vergrößert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h mehrstufig verstellbares Auslassventil ist. Ein abgeschaltetes Auslassventil wird zugeschaltet, indem der zugehörige Ventilhub stufenweise vergrößert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslaßöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h stufenlos verstellbares Auslassventil ist. Ein stufenlos verstellbares Auslaßventil gestattet die stufenlose Einstellung der an der zweiten Turbine vorbeigeführten Abgasmenge.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t verstellbares Auslassventil ist. Die im Zusammenhang mit dem Hub gemachten Ausführungen gelten in analoger Weise.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und mit mindestens vier entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die außenliegenden Zylinder eine Zylindergruppe bilden und die mindestens zwei innenliegenden Zylinder eine andere Zylindergruppe bilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitungen stromabwärts der Turbinen zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen.
Dann kann eine gemeinsame Abgasnachbehandlung des gesamten Abgases der mindestens zwei Zylinder stattfinden, nämlich mit einem in der gemeinsamen Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungssystem. Dies können beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide sein.
Alternativ oder zusätzlich kann auch in jeder Gesamtabgasleitung ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen werden, gegebenenfalls auch mehrere Abgasnachbehandlungssysteme.
Dies ermöglicht eine motornähere Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder. Diese Ausführungsform trägt zudem dem Umstand Rechnung, dass die vorgesehenen Turbinen unterschiedlich betrieben werden. Unterschiedliche Abgasmengen und Abgastemperaturen können unterschiedliche Abgasnachbehandlungssysteme erfordern bzw. erforderlich machen.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in jeder Gesamtabgasleitung mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des zweiten Abgasturboladers kleiner dimensioniert ist als die Turbine des ersten Abgasturboladers.
Diese Ausführungsform erweitert den Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine, in welchem der zweite Verdichter allein den Ladedruck generiert, hin zu niedrigeren Drehzahlen.
Weil das an der zweiten Turbine überschüssige Abgas erfindungsgemäß in der ersten Turbine zur Energiegewinnung genutzt wird und nicht ungenutzt via Bypassleitung abgeblasen werden muss, kann die zweite Turbine kleiner dimensioniert werden, ohne dass Einbußen beim Wirkungsgrad inkaufzunehmen sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mit der Turbine des ersten Abgasturboladers antriebsverbindbare Elektromaschine geeignet ist, als Hilfsantrieb zur Unterstützung des ersten Abgasturboladers zusätzliche Leistung für den Antrieb zur Verfügung zu stellen.
Der Zylinderkopf einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Insbesondere bei der Integration der Abgaskrümmer steigt die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes nochmals, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind. Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem

– der Verdichter des ersten Abgasturboladers deaktiviert wird, indem das Absperrelement in der ersten Ansaugleitung geschlossen wird, und
– eine durch die Turbine des zweiten Abgasturboladers geführte Abgasmenge eingestellt wird, indem die schaltbaren Auslassventile der schaltbaren Auslassöffnungen, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, verstellt werden hinsichtlich des Ventilhubs ∆h und/oder der Öffnungsdauer ∆t, wobei die Elektromaschine als Generator verwendet wird, um Leistung von der ersten Turbine aufzunehmen.

Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die durch die Turbine des zweiten Abgasturboladers geführte Abgasmenge begrenzt wird, indem die schaltbaren Auslassventile der schaltbaren Auslassöffnungen, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, betätigt werden. Auf diese Weise wird ein Betreiben der zweiten Turbine über die Schluckgrenze hinaus vermieden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein stromabwärts der Verdichter im Ansaugsystem vorliegender Ladedruck p_charge mit beeinflusst wird, indem die durch die Turbine des zweiten Abgasturboladers geführte Abgasmenge eingestellt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit zwei Abgasturboladern 8, 9 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 8, 9 umfasst eine Turbine 8a, 9a und einen Verdichter 8b, 9b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 8a, 9a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugleitungen 11a, 11b, Ladeluftkühler 10 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die vier Zylinder 3 sind konfiguriert und bilden zwei Zylindergruppen mit jeweils zwei Zylindern 3, wobei die beiden innenliegenden Zylinder 3 eine zweite Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden können, und die beiden außenliegenden Zylinder 3 eine erste Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 auch bei Teilabschaltung in Betrieb sind.
Jeder Zylinder 3 verfügt über zwei Auslassöffnungen 4a, 4b, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließen, wobei sämtliche Auslassöffnungen 4a der beiden innenliegenden Zylinder 3, d. h. die Auslassöffnungen 4a der zweite Zylindergruppe, als schaltbare Auslassöffnungen 4a ausgebildet sind und die beiden außenliegenden Zylinder 3, d. h. die Zylinder 3 der ersten Zylindergruppe, jeweils nur eine schaltbare Auslassöffnung 4a aufweisen.
Die Abgasleitungen 5a, 5b der vier Zylinder 3 sind in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung 5a einer zuschaltbaren Auslassöffnung 4a jedes Zylinders 3 unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a in eine erste Gesamtabgasleitung 7a mündet, welche mit der Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 verbunden ist, und die Abgasleitungen 5a, 5b der anderen Auslassöffnungen 4a, 4b der vier Zylinder 3 unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammenführen, welche mit der Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 verbunden ist. Die Abgasleitungen 5a, 5b der Zylinder 3 führen unter Ausbildung von zwei im Zylinderkopf 2 integrierten Abgaskrümmern 6a, 6b zu zwei Gesamtabgasleitungen 7a, 7b zusammen.
Stromabwärts jeder Turbine 8a, 9a kann jeweils ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen werden. Die Abgasnachbehandlungssysteme können Unterschiede im Aufbau aufweisen und damit dem Umstand Rechnung tragen, dass die vorgesehenen Turbinen 8a, 9a zumindest zeitweise bei unterschiedlichen Randbedingungen betrieben werden und die Zustandsgrößen des turbinenzugehörigen Abgasstroms, nämlich Druck und Temperatur, stark differieren können.
Vorliegend führen die beiden Gesamtansaugleitungen 11a, 11b stromabwärts der Verdichter 8b, 9b zusammen, wobei der erste Verdichter 8b vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt werden kann, damit der zweite Verdichter 9b nicht in den ersten Verdichter 8b hinein fördert. Hierzu ist stromabwärts des ersten Verdichters 8b ein Absperrelement 13 angeordnet, das der Deaktivierung dieses Verdichters 8b dient. Damit der erste Verdichter 8b nicht gegen den Widerstand des verschlossenen Absperrelementes 13 fördern muss, ist eine Bypassleitung vorgesehen, in der ebenfalls ein Absperrelement angeordnet ist.
Die zweite Turbine 9a verfügt über keine Bypassleitung. An der zweiten Turbine 9a überschüssiges Abgas wird in der ersten Turbine 8a zur Energiegewinnung genutzt und nicht via Bypassleitung ungenutzt abgeblasen. Hierzu ist eine mit der ersten Turbine 8a zumindest antriebsverbindbare Elektromaschine 14 vorgesehen, die als Generator 14a Leistung von der ersten Turbine 8a aufzunehmen fähig ist.
Die im heißen Abgas verfügbare Energie wird genutzt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 gesteigert wird. Mit einem Wegfall einer Bypassleitung wird die Abgasturboaufladung vereinfacht, kompakter und kostengünstiger. Die mittels Generatorbetrieb gewonnene Leistung kann als elektrische Energie in einer Batterie gespeichert werden (nicht dargestellt).
Vorliegend ist jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung 4a, deren Abgasleitung 5a in die erste Gesamtabgasleitung 7a mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h stufenlos verstellbares Auslassventil, mit dem eine stufenlose Einstellung der an der zweiten Turbine 9a vorbeigeführten Abgasmenge möglich ist.
Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 ermöglicht einen ersten Betriebsmodus, der die Teilabschaltung betrifft. Während der Teilabschaltung sind die beiden innenliegenden Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet und die dazugehörigen Auslassöffnungen 4a ebenfalls. Dann versorgen die beiden außenliegenden Zylinder 3 der ersten Zylindergruppe beide Turbinen 8a, 9a mit Abgas, wodurch der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem gesenkt und der Ladungswechsel der ersten Zylindergruppe bei Teilabschaltung verbessert wird. Der Wirkungsgrad erhöht sich nochmals.
Gemäß einem zweiten Betriebsmodus wird die Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt und die Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 ist deaktiviert, wozu die schaltbaren Auslassöffnungen 4a der Zylinder 3, deren Abgasleitungen 4a in die erste Gesamtabgasleitung 7a münden, abgeschaltet werden und geschlossen bleiben.
In Ergänzung zum zweiten Betriebsmodus wird in einem dritten Betriebsmodus an der zweiten Turbine 9a überschüssiges Abgas durch die erste Turbine 8a geleitet und zur Energiegewinnung genutzt, wobei die durch die erste Turbine 8a geleitete und damit die an der zweiten Turbine 9a vorbeigeführte Abgasmenge mittels der schaltbaren Auslassventile der schaltbaren Auslassöffnungen 4a eingestellt wird, deren Abgasleitungen 5a in die erste Gesamtabgasleitung 7a münden. Hierzu wird der Ventilhub ∆h der entsprechenden Auslassventile stufenlos verstellt.
In einen vierten Betriebsmodus werden dann beide Turbinen 8a, 9a von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt. Hierzu werden sämtliche schaltbaren Auslassöffnungen 4a aktiviert und vollumfänglich betätigt.
Bezugszeichenliste

1: aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
2: Zylinderkopf
3: Zylinder
4a: zuschaltbare Auslassöffnung
4b: Auslassöffnung
5a: Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung
5b: Abgasleitung
6a: erster Abgaskrümmer
6b: zweiter Abgaskrümmer
7a: erste Gesamtabgasleitung
7b: zweite Gesamtabgasleitung
8: erster Abgasturbolader
8a: erste Turbine, zuschaltbare Turbine
8b: erster Verdichter
9: zweiter Abgasturbolader
9a: zweite Turbine
9b: zweiter Verdichter
10: Ladeluftkühler
11a: erste Ansaugleitung
11b: zweite Ansaugleitung
12: Plenum
13: Absperrelement
14: Elektromaschine
14a: Generator
∆h: Ventilhub eines schaltbaren Auslassventils
p_charge: Ladedruck im Ansaugsystem
∆t: Öffnungsdauer eines schaltbaren Auslassventils

Claims

Aufgeladene Vier-Takt-Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei Zylindern (3), bei der – ein Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern (3) vorgesehen ist, – jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als schaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (8, 9) eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (8a, 9a) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter (8b, 9b) umfasst, – die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung (5a) mindestens einer schaltbaren Auslassöffnung (4a) jedes Zylinders (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) in eine erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, welche mit der Turbine (8a) eines ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und die Abgasleitungen (5a, 5b) der anderen Auslassöffnungen (4a, 4b) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) eines zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, – der Verdichter (8b) des ersten Abgasturboladers (8) in einer ersten Ansaugleitung (11a) des Ansaugsystems angeordnet ist, wobei in der ersten Ansaugleitung (11a) ein Absperrelement (13) angeordnet ist, und – zumindest jede schaltbare Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, mit einem zumindest teilweise variablen Ventiltrieb ausgestattet ist mit einem schaltbaren Auslassventil, welches die zugehörige Auslassöffnung (4a) zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs ∆h während einer Öffnungsdauer ∆t freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass – eine mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) zumindest antriebsverbindbare Elektromaschine (14) vorgesehen ist, die geeignet ist, als Generator (14a) Leistung von der ersten Turbine (8a) aufzunehmen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (3) der ersten Zylindergruppe nur eine schaltbare Auslassöffnung (4a) aufweist, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe als schaltbare Auslassöffnungen (4a) ausgebildet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (3) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (3) einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (1) in Betrieb befindlicher Zylinder (3) ist und der mindestens eine Zylinder (3) einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (3) ausgebildet ist, und – sämtliche Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe als schaltbare Auslassöffnungen (4a) ausgebildet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) innerhalb des Zylinderkopfes (2) zu Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h zweistufig verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h mehrstufig verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, ein im Hinblick auf den Ventilhub ∆h stufenlos verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jedes schaltbare Auslassventil jeder schaltbaren Auslassöffnung (4a), deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer ∆t verstellbares Auslassventil ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10 mit mindestens vier entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes (2) in Reihe angeordneten Zylindern (3), dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden Zylinder (3) eine Zylindergruppe bilden und die mindestens zwei innenliegenden Zylinder (3) eine andere Zylindergruppe bilden.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) stromabwärts der Turbinen (8a, 9a) zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Turbine (8a, 9a) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) kleiner dimensioniert ist als die Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8).
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) antriebsverbindbare Elektromaschine (14) geeignet ist, als Hilfsantrieb zur Unterstützung des ersten Abgasturboladers (8) zusätzliche Leistung für den Antrieb zur Verfügung zu stellen.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verdichter (8b) des ersten Abgasturboladers (8) deaktiviert wird, indem das Absperrelement (13) in der ersten Ansaugleitung (11a) geschlossen wird, und – eine durch die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) geführte Abgasmenge eingestellt wird, indem die schaltbaren Auslassventile der schaltbaren Auslassöffnungen (4a), deren Abgasleitungen (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) münden, verstellt werden hinsichtlich des Ventilhubs ∆h und/oder der Öffnungsdauer ∆t, wobei die Elektromaschine (14) als Generator (14a) verwendet wird, um Leistung von der ersten Turbine (8a) aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) geführte Abgasmenge begrenzt wird, indem die schaltbaren Auslassventile der schaltbaren Auslassöffnungen (4a), deren Abgasleitungen (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) münden, betätigt werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts der Verdichter (8b, 9b) im Ansaugsystem vorliegender Ladedruck p_charge mit beeinflusst wird, indem die durch die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) geführte Abgasmenge eingestellt wird.