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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit vier gemäß einer Zündfolge betriebenen 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,
- - die vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern bilden,
- - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- - die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, wobei die zwei Zylinder jeder Gruppe räumlich benachbarte Zylinder sind.
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Die
WO 2013 020 632 A1 betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer ersten Zylinderbank und einer zweiten Zylinderbank, und mit einem Abgastrakt mit einem ersten Abgaskrümmer und einem zweiten Abgaskrümmer, wobei der ersten Zylinderbank der erste Abgaskrümmer mit einer ersten Abgasflut zugeordnet ist und der zweiten Zylinderbank der zweite Abgaskrümmer mit einer zweiten Abgasflut zugeordnet ist, und mit einem ersten Abgasturbolader und zumindest einem zweiten Abgasturbolader, wobei der erste Abgasturbolader eine im Abgastrakt angeordnete erste Turbine umfasst und der zweite Abgasturbolader eine im Abgastrakt angeordnete zweite Turbine umfasst, wobei die erste Turbine und die zweite Turbine mit Hilfe einer zwischen wenigstens drei Stellungen schaltbaren und stromauf der ersten Turbine und der zweiten Turbine angeordneten Ventileinrichtung wahlweise abwechselnd von zumindest einem Teil von Abgas aus der ersten Zylinderbank und der zweiten Zylinderbank antreibbar sind, und wobei die erste Turbine eine in einer ersten Stellung der Ventileinrichtung von Abgas aus der ersten Abgasflut der ersten Zylinderbank durchströmbare Flut und wenigstens eine zweite, in der ersten Stellung der Ventileinrichtung von Abgas aus der zweiten Abgasflut der zweiten Zylinderbank durchströmbare Flut aufweist.
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Gemäß der
JP S62 165 532 A sind an jedem Zylinder eines Vierzylindermotors jeweils zwei Auslassöffnungen vorgesehen, wobei mit jeder dieser Auslassöffnungen die Auslasskanäle verbunden sind. Jeder dieser Abgaskanäle ist mit einem Paar von Abgaseinlasskanälen auf beiden Seiten eines Abgasturboladers verbunden. Darüber hinaus wird jede dieser Abgasöffnungen an einer der Zylindergruppen bestehend aus den Zylindern, die in der Reihenfolge ihrer aufeinanderfolgenden Zündung angeordnet sind, vereinigt, um Abgasdurchgangseinheiten zu bilden, wobei auf dem vereinigten Teil der Abgaseinführungsdurchgänge in jeder der Einheiten Steuerventile vorgesehen sind.
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Gemäß der
JP S62 99 633 A sind zwei Auslassöffnungen in mehreren Zylindern angeordnet, wobei das Abgas aus jeder Öffnung über zwei Auslasskanäle zu einem Turbolader geleitet wird. Darüber hinaus ist jedes der Ein-Aus-Steuerventile an der stromabwärts gelegenen Seite eines konvergierenden Teils mehrerer zweiter Abgaskanäle installiert. Bei niedriger Geschwindigkeit sind diese Steuerventile geschlossen, während ein Überlappungswert für jede Öffnungsperiode des zweiten Abgasanschlusses und eines Ansauganschlusses kleiner als der des Ansauganschlusses eingestellt wird. Auf diese Weise soll eine Vorverlagerung des Abgases zur Ansaugöffnung bei niedriger Drehzahl verhindert werden können.
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Aus dem Fachbuch ROBERT BOSCH GMBH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 18. Auflage. Düsseldorf : VDI-Verlag GmbH, 1976. S. 244. - ISBN 3-18--418003-4 p 0 ist bekannt, dass die Zündfolge bei einem nicht aufgeladenen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1-3-4-2 bzw. 1-2-4-3 sein kann, wobei benachbarte Zylinder nacheinander zünden.
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Gemäß der
JP S62 101 831 A ist im Auspuffkrümmer eines Vierzylindermotors in einem Teil, in dem die mit den Auslassöffnungen verbundenen Kanäle gesammelt werden, eine Trennwand vorgesehen, um zwei Systeme von Auslasskanälen zu bilden, die unabhängig voneinander Abgas in die Turbine eines Turboladers einleiten. Außerdem sind in der Trennwand eine erste Verbindungsöffnung, die mittels eines Verbindungsventils geöffnet und geschlossen wird, und eine zweite Verbindungsöffnung mit einem relativ kleinen Durchmesser ausgebildet. Ein Dreiwege-Magnetventil wird von einer zentralen Steuereinheit so gesteuert, dass ein Aktuator das Verbindungsventil öffnet, und zwar auf der Seite mit höherer Rotation und höherer Last als die für den Öffnungsvorgang geltenden Startbedingungen eines Bypass-Ventils in einem Bypass, der den Abgasdurchgang mit einem Abgasdurchgang im unteren Teil der Turbine verbindet, während die Turbine umgangen wird.
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Die
DE 20 2013 100 774 U 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 sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- - die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut der Turbine anschließt und die beiden Fluten bis hin zum Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind, so dass die Abgasströme der beiden Fluten getrennt voneinander auf das Laufrad geleitet werden. Die beiden Fluten der Turbine sind innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens eines Überstromkanals stromaufwärts des Laufrades und stromabwärts der Eintrittsöffnungen miteinander verbindbar.
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In einem 6-Zylinder-Reihenmotor ist gemäß der
JP H08 338 254 A eine Trennwand in der mittleren Position eines Auspuffkrümmers vorgesehen, um drei vordere Zylinder von drei hinteren Zylindern zu trennen. Ein Öffnungs- und Schließventil, das in der Anfangsphase des Auspufftaktes geöffnet und in der letzten Phase des Auspufftaktes geschlossen wird, ist in dem Teil der Verbindungsöffnung der Trennwand vorgesehen.
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Die
DE 20 2013 103 704 U1 betrifft einen Zylinderkopf mit einer Axialturbine und mindestens zwei Zylindern, bei dem
- - die Axialturbine mindestens ein in einem Turbinengehäuse angeordnetes und auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst,
- - der Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mit mindestens einem im Zylinderkopf integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, und
- - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, wobei die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche in einen Eintrittsbereich der Axialturbine mündet, wobei der Eintrittsbereich und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad beabstandet und umfänglich um die Welle umschließt, im Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen dieser Beschreibung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Hybrid-Antriebe, die neben dem Dieselmotor eine mit dem Dieselmotor antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung vom Dieselmotor aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane - in der Regel in Gestalt von Ventilen - und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens vier Zylinder und das Füllen der Brennräume mit Ladeluft über die Einlassöffnungen.
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Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
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Stromabwärts der beiden Abgaskrümmer ist erfindungsgemäß die zweiflutige Turbine eines Abgasturboladers im Abgasabführsystem vorgesehen.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. 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 Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. 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 via Abblaseleitung an der Turbine vorbeigeführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.
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Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann. Turbinen mit variabler Turbinengeometrie sind aber sehr kostenintensiv und daher häufig für den Serieneinsatz ungeeignet.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden, ähnlich einer Registeraufladung.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Eine Abgasturboaufladung unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader ist kostenintensiv.
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Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der zumindest hilfsweise mittels Elektromaschine antreibbar ist.
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Die Brennkraftmaschine verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Abgasturbolader, wobei die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden und jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Flut einer zweiflutigen Turbine verbunden ist.
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Diese Art des Zusammenführens der Abgasleitungen unterstützt die Stoßaufladung, mit der im unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen, ein zufriedenstellendes Aufladeverhalten bzw. eine verbesserte Drehmomentcharakteristik angestrebt wird.
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Dabei sollen die - insbesondere während des Ladungswechsels - im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.
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Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.
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Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
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Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere bei nur geringen Abgasmengen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
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Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringer Last spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.
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Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, sollten die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
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Zielführend ist es daher, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem weitestgehend erhalten werden.
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Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Beschreibung. Dabei sind vier Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen.
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Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen. Wird beispielsweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 bzw. gemäß der Zündfolge 1 - 3 - 4 - 2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.
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Der große thermodynamische Versatz der Zylinder innerhalb der Gruppe (360°KW) hat zudem Vorteile beim Ladungswechsel. Die Zylinder einer Gruppe können sich nämlich 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 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 beim fremdgezündeten Ottomotor maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt.
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Insofern wird es nach dem Stand der Technik nicht nur hinsichtlich der Stoßaufladung als sinnvoll, sondern vielmehr unter Berücksichtigung der Restgasproblematik als notwendig angesehen, bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.
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Diese Gruppierung der Zylinder führt aber zu einem komplexen voluminösen Abgasabführsystem, welches beispielsweise die europäische Patentanmeldung
EP 2 172 635 A1 beschreibt und hohe Fertigungskosten verursacht. Die Gestalt und Anordnung der beiden Krümmer, teilweise übereinander, erschwert zudem eine kostengünstige Integration in den Zylinderkopf, welche für die Stoßaufladung grundsätzlich als vorteilhaft angesehen wird.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bertreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, so dass die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine verbessert ist und so dass die Brennkraftmaschine kostengünstiger ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit vier gemäß einer Zündfolge betriebenen 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,
- - die vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern bilden,
- - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- - die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, wobei die zwei Zylinder jeder Gruppe räumlich benachbarte Zylinder sind.
und das dadurch gekennzeichnet ist, dass - - die Zündfolge in der Art gewählt wird, dass die zwei Zylinderjeder Gruppe in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder sind und damit nacheinander selbstzünden.
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Die Gruppierung der Zylinder vereinfacht das Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine erheblich. Im Gegensatz zu dem Konzept gemäß der
EP 2 172 635 A1 bilden die Krümmer vorliegend kompakte bauliche Einheiten, die nebeneinander angeordnet sind. Dadurch, dass räumlich benachbarte Zylinder zu einer Zylindergruppe zusammengefasst werden, lassen sich kleinvolumige kostengünstige Krümmer ausbilden, wobei kleine Volumina die Stoßaufladung besonders vorteilhaft beeinflussen. Hohe Fertigungskosten werden vermieden. Die Integration der beiden Krümmer in den Zylinderkopf vereinfacht sich.
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Die Zylinder einer Zylindergruppe können einen Zündabstand von 180°KW oder weniger aufweisen, weshalb sich die Zylinder einer Gruppe beim Ladungswechsel mehr oder weniger stark beeinträchtigen. Dies ist aber für die Brennkraftmaschine, die ein Dieselmotor ist, unschädlich bzw. tolerierbar. Aus den gleichen Gründen kann die Restgasproblematik vernachlässigt werden.
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Ein Vier-Zylinder-Reihenmotor kann gemäß der üblichen Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 bzw. 1 - 3 - 4 - 2 betrieben werden. Ein möglichst großer thermodynamischer Versatz der Zylinder einer Gruppe wird nicht angestrebt bzw. ist nicht erforderlich.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Zylinder jeder Gruppe thermodynamisch benachbarte Zylinder sind, in der Art, dass die Zylinder einer Gruppe in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder sind.
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Ein Vier-Zylinder-Reihenmotor weist dann die Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 bzw. 1 - 3 - 4 - 2 auf, so dass die zwei Zylinder jeder Gruppe einen thermodynamischen Versatz von 180°KW aufweisen.
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Ein Beibehalten der herkömmlichen Zündfolge hat Kostenvorteile, da bereits vorhandene Bauteile, insbesondere die Kurbelwelle und ein eventuell erforderlicher Massenausgleich, verwendet werden können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, bei der die beiden Fluten übereinander angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten nebeneinander angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Vorliegend sind die beiden Fluten der Turbine und damit die Abgasabführsysteme der dazugehörigen Zylindergruppen weitestgehend voneinander getrennt, so dass jede Flut nur mit den Abgasleitungen der Zylindergruppe kommuniziert, aus denen sie originär gespeist wird. Dies unterstützt die Stoßaufladung unter Ausnutzung der sich in den Abgaskrümmern ausbreitenden Druckspitzen.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die die beiden Fluten voneinander trennende Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet.
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Vorliegend sind die beiden Fluten an ihrem laufradseitigen Ende mittels Überströmkanal miteinander verbunden bzw. zeitweise verbindbar. Der Zungenabstand ist definiert bzw. ergibt sich dabei als der Abstand zwischen dem freien zungenartigen Ende der die benachbarten Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung und dem mindestens einen Laufrad. Der Überströmkanal ermöglicht eine Interaktion zwischen den Fluten.
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Lässt sich der Zungenabstand variieren, kann auf das Ausmaß der Interaktion zwischen den Fluten Einfluss genommen werden. In Abhängigkeit des Ausmaßes der Interaktion zwischen den Fluten lassen sich die Druckschwankungen in den Fluten der Turbine glätten bzw. die Drücke in den Fluten stromaufwärts des mindestens einen Laufrades angleichen. Auf diese Weise kann auch ein Übergang von der Stoßaufladung zu einer Stauaufladung bzw. umgekehrt erfolgen.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Zungenabstand variabel ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens einer Öffnung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades miteinander verbindbar sind.
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Die Stoßaufladung hat nicht nur Vorteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden am effektivsten betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
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Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern erweist sich die Gruppierung der Zylinder, bei der die Abgasleitungen gruppenweise zusammengeführt werden, wodurch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv.
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Vielmehr ist es hinsichtlich einer Stauaufladung vorteilhaft, das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine zu vergrößern, um die Druckschwankungen zu minimieren.
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Gegenüber dem Verbinden der beiden Abgaskrümmer hat das Verbinden der beiden Fluten der Turbine den Vorteil, dass die verbindende Öffnung der Abgassysteme der beiden Zylindergruppen weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet ist, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe vergrößert wird. Der Gefahr einer gegenseitigen, insbesondere nachteiligen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch entgegen gewirkt.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe jeweils innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, da durch ein Verbinden der Krümmer eine Verbindung realisiert werden würde, die außergewöhnlich nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder platziert wäre.
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Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Abgaskrümmer der Zylindergruppen durch Freigeben mindestens einer Öffnung miteinander verbindbar sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe jeweils innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Die im Abgasabführsystem vorgesehene zweiflutige Turbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat gleich mehrere Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen.
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Da sich der Weg zur Turbine für die heißen Abgase verkürzt, nimmt auch das Volumen der Abgaskrümmer bzw. des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab.
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Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
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Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
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Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt zudem die Stoßaufladung im unteren Last- bzw. Drehzahlbereich.
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Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen jeweils ein außenliegender Zylinder und ein innenliegender Zylinder eine Gruppe bilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine einer ersten Flut zugeordnete Eintrittskante mindestens einer Laufschaufel des mindestens einen Laufrades und eine einer zweiten Flut zugeordnete Eintrittskante dieser mindestens einen Laufschaufel des mindestens einen Laufrades in einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind und auf die Weise eine gemeinsame zusammenhängende Kante ausbilden, wobei diese zusammenhängende Kante in der Verbindungsstelle einen Knick aufweist. Der Knick kann spitz oder abgerundet sein.
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Diese konstruktive Ausgestaltung der Laufschaufelkante ermöglicht es, die den beiden Fluten zugeordneten Eintrittskanten unabhängig voneinander, jeweils hinsichtlich der zugehörigen Flut zu optimieren und zwar vorzugsweise hinsichtlich der Stoßaufladung.
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Eine derartige Laufschaufelkante trägt dem Umstand Rechnung, dass die beiden Fluten in der Regel eine voneinander verschiedene geometrische Gestalt haben und daher auch eine unterschiedliche Gasdynamik aufweisen. Insofern benötigen die beiden Fluten unterschiedlich geformte Eintrittskanten.
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Die Laufschaufelkante weist in der Verbindungsstelle nahe bzw. gegenüber der Gehäusewandung vorzugsweise einen dachförmigen Knick auf, vorzugsweise einen dachförmigen spitzen Knick, wobei die Spitze nach außen zeigt, d. h. in Richtung der Fluten bzw. der Gehäusewandung gerichtet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Laufschaufel eine derartige Eintrittskante aufweist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist, vorzugsweise drei Auslassöffnungen.
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Wie bereits oben erwähnt wird ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine aufgezeigt bei dem die Zündfolge in der Art gewählt wird, dass die zwei Zylinder jeder Gruppe in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder sind und damit nacheinander selbstzünden.
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Das im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die Zylinder mit der Zündfolge 1 - 3 - 4 - 2 betrieben werden.
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Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die Zylinder mit der Zündfolge 1 - 2 - 4 - 3 betrieben werden.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln.
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Die im Rahmen einer Stauaufladung bei hohen Motordrehzahlen als nachteilig anzusehenden Druckschwankungen im Abgasabführsystem können durch Verbinden der beiden Fluten der Turbine geglättet, günstigstenfalls sogar eliminiert werden. Dabei werden die Volumina des Abgasabführsystems stromaufwärts des Laufrades zusammengelegt. Jede einzelne Flut kommuniziert dann nicht mehr nur mit dem Abgasvolumen der ihr zugeordneten Zylindergruppe, sondern ebenfalls mit dem Abgasvolumen der anderen Zylindergruppe. Es wird damit jeder Flut ein zusätzliches Volumen zur Verfügung gestellt, wodurch sich das Abgasvolumen stromaufwärts jeder Flut vergrößert bzw. stromaufwärts des Laufrades anstatt zwei kleinen Volumina ein großes Volumen bereitsteht. Diese Volumenvergrößerung gewährleistet einen sich wenig verändernden, im Wesentlichen konstanten Abgasdruck stromaufwärts des Laufrades und damit günstige Bedingungen für eine Stauaufladung bei größeren Abgasmengen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verfahrensvarianten, bei denen die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, wenn die Drehzahl eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch den Zylinderkopf mitsamt Turbine einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch den Zylinderkopf 10a mitsamt Turbine 5 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine 10. Die Turbine 5 ist eine zweiflutige Turbine 5, die zusammen mit einem Verdichter (nicht dargestellt) einen Abgasturbolader bildet. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 5 unter Energieabgabe. Der Verdichter komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem den Zylindern 1, 2, 3, 4 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 10 erreicht wird.
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Bei der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 handelt es sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10, bei dem vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 10a, d. h. in Reihe, angeordnet sind. Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 weist mindestens eine Auslassöffnung auf, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder 1, 2, 3, 4 anschließt.
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Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4 bilden, wobei jeweils ein außenliegender Zylinder 1, 4 und der benachbarte Zylinder 2, 3 eine Gruppe bilden, d. h. die zwei Zylinder 1, 2, 3, 4 jeder Gruppe sind räumlich benachbarte Zylinder 1, 2, 3, 4.
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Die Abgasleitungen der Zylinder 1, 2, 3, 4 jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 11a, 11b jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen, so dass die Krümmer vorliegend kompakte bauliche Einheiten bilden, die nebeneinander angeordnet sind. Dadurch, dass räumlich benachbarte Zylinder 1, 2, 3, 4 zu einer Zylindergruppe zusammengefasst werden, lassen sich kleinvolumige kostengünstige Krümmer 11a, 11b ausbilden, wobei kleine Volumina die Stoßaufladung besonders vorteilhaft beeinflussen.
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Die beiden Gesamtabgasleitungen sind mit der zweiflutigen Turbine 5, die ein in einem Turbinengehäuse 6 auf einer drehbaren Welle 8 gelagertes Laufrad 7 umfasst, in der Art verbunden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten 5a, 5b der Turbine 5 verbunden ist. Die zwei Fluten 5a, 5b werden in Richtung des Laufrades 7 in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen mittels Gehäusewandung 9 voneinander getrennt, wobei die Gehäusewandung 9 beabstandet von der Eintrittskante 7a des Laufrades 7 endet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Zylinder
- 2
- zweiter Zylinder
- 3
- dritter Zylinder
- 4
- vierter Zylinder
- 5
- zweiflutige Turbine
- 5 a
- erste Flut
- 5b
- zweite Flut
- 6
- Turbinengehäuse
- 7
- Laufrad
- 7a
- Laufradkante, Eintrittskante
- 8
- Drehachse, Welle
- 9
- Gehäusewandung
- 10
- Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
- 10a
- Zylinderkopf
- 11
- Abgasabführsystem
- 11a
- erster Abgaskrümmer
- 11b
- zweiter Abgaskrümmer
