DE102015205999A1

DE102015205999A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine und gruppierten Zylindern

Info

Publication number: DE102015205999A1
Application number: DE102015205999.5A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Franz J. Brinkmann; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-06

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung 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 jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (1), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln (3a) ausgestattetes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5a, 5b) der Turbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5a, 5b) in Richtung des mindestens einen Laufrades (3) zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung (2a) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, wobei – jede Laufschaufel (3a) des mindestens einen Laufrades (3) eine den Fluten (5a, 5b) zugewandte Eintrittskante (4) aufweist, wobei eine einer ersten Flut (5a) zugeordnete erste Eintrittskante (4a) und eine einer zweiten Flut (5b) zugeordnete zweite Eintrittskante (4b) in einer Verbindungsstelle (6) miteinander verbunden sind und auf die Weise die Eintrittskante (4) ausbilden, die in der Verbindungsstelle (6) einen Knick (7) aufweist.

Description

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

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass 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 mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei 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.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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 zwei Zylinder und das Füllen der Brennräume mit Ladeluft über die Einlassöffnungen.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Ausgestaltung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Betriebsbereich der Brennkraftmaschine Priorität genießt, d. h. hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahl bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen, ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt.
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.
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.
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.
Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energiegewinnung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
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.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
Zielführend ist es daher, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden werden kann.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art gruppiert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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.
Im Zusammenhang mit der Gruppierung der Zylinder zwecks Realisierung einer Stoßaufladung müssen zwei weitere Aspekte berücksichtigt werden, die bezüglich der Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen von hoher Relevanz sind. Zum einen werden die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung zu partizipieren und die Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Zum anderen ist man grundsätzlich bemüht, die im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen. Dies hat gleich mehrere Gründe und Vorteile, insbesondere weil sich die Abgaswege zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich, sondern auch das Volumen sowohl der einzelnen Abgaskrümmer als auch des gesamten Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab. Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt. Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts des Laufrades verbessert das Ansprechverhalten der Turbine.
Dass sich die Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zum Laufrad der Turbine gemäß dem vorstehend beschriebenen Konzept deutlich verkürzen, kann aber auch Nachteile haben. Durch die motornahe Anordnung der Turbine werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen gegebenenfalls nicht ausreichend lange voneinander getrennt.
Erfindungsgemäß werden daher die beiden Gesamtabgasleitungen der Zylindergruppen mit einer zweiflutigen Turbine verbunden, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise und in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen mittels Gehäusewandung voneinander getrennt werden, wodurch auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen über eine längere Wegstrecke voneinander getrennt werden.
Trotz der vorstehend beschriebenen Optimierungsmaßnahmen erfordert die Stoßaufladung weitere Verbesserungen.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Stoßaufladung weiter optimiert ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass 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 mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgas- leitungen – mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen,

– jede Laufschaufel des mindestens einen Laufrades eine den Fluten zugewandte Eintrittskante aufweist, wobei eine einer ersten Flut zugeordnete erste Eintrittskante und eine einer zweiten Flut zugeordnete zweite Eintrittskante in einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind und auf die Weise die Eintrittskante ausbilden, die in der Verbindungsstelle einen Knick aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst die den Fluten zugewandte Eintrittskante jeder Laufschaufel zwei Teilabschnitte, nämlich eine der ersten Flut zugeordnete erste Eintrittskante und eine der zweiten Flut zugeordnete zweite Eintrittskante, die in einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind. Diese konstruktive Ausgestaltung der Laufschaufelkante ermöglicht es, die den beiden Fluten zugewandten Eintrittskanten, d. h. die zwei den beiden Fluten zugeordneten Teilabschnitte der Kante, unabhängig voneinander, jeweils hinsichtlich der zugehörigen Flut zu optimieren und zwar hinsichtlich der Stoßaufladung.
Eine derartige Laufschaufelkante trägt dem Umstand Rechnung, dass die beiden Fluten in der Regel eine voneinander verschiedene geometrische Gestalt und daher auch eine unterschiedliche Gasdynamik aufweisen. Insofern benötigen die beiden Fluten unterschiedlich geformte Eintrittskanten.
Die Laufschaufelkante weist in der Verbindungsstelle, welche sich vorzugsweise gegenüber bzw. nahe der Gehäusewandung befindet, 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. und ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung weist ein Knick zwei miteinander verbundene Schenkel auf, die einen Winkel kleiner 180°, vorzugsweise kleiner 90° bzw. 60° bilden. Die Schenkel bilden dabei zumindest einen Bereich der zwei Teilabschnitte, d. h. der zwei flutenzugehörigen Eintrittskanten aus.
Eine erfindungsgemäß ausgebildete Laufschaufelkante verbessert die Stoßaufladung insbesondere bei Verwendung einer sogenannten Mixed-Flow-Turbine, bei der der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung sowohl eine radiale Geschwindigkeitskomponente als auch eine axiale Geschwindigkeitskomponente aufweist. Gegenüber einer reinen Radialturbine, bei der die Anströmung exakt radial erfolgt, zeichnet sich die Mixed-Flow-Turbine durch eine geringere Trägheit aus, die aus dem kleineren Durchmesser des Laufrades resultiert.
Nach dem Stand der Technik verfügen die Laufschaufeln einer Radialturbine über Eintrittskanten, die parallel zur Welle der Turbine verlaufen, wohingegen die Laufschaufeln einer Mixed-Flow-Turbine üblicherweise Eintrittskanten aufweisen, die gegenüber der Welle des Laufrades geneigt, d. h. um einen Winkel angestellt sind. Im letztgenannten Beispiel betreffend die Mixed-Flow-Turbine sorgen die geneigten Eintrittskanten der Laufschaufeln bedingt durch die unterschiedlich großen Abstände zur umlaufenden Welle entlang der Kante für unterschiedlich große Umfangsgeschwindigkeiten und stark variierende Anströmbedingungen entlang der Eintrittskante, d. h. beim Eintritt in das rotierende Laufrad bzw. beim Eintritt in die Laufschaufeln. Diesen unterschiedlichen Anströmbedingungen wird nach dem Stand der Technik durch eine entsprechende Verwindung bzw. Formgebung der Schaufeln Rechnung getragen. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Laufschaufelkanten gestattet eine Optimierung der Anströmung beim Eintritt in die Laufschaufeln.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Stoßaufladung weiter optimiert ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Da eine Gruppe somit auch nur einen Zylinder mit nur einer Auslassöffnung aufweisen kann, kann der Abgaskrümmer einer Gruppe auch nur eine Abgasleitung einer Auslassöffnung eines Zylinders umfassen. Ein Zusammenführen von Abgasleitungen im eigentlichen Sinne zur Ausbildung eines Krümmers erfolgt dabei nicht.
Die zweiflutige Turbine ist erfindungsgemäß die Turbine eines Abgasturboladers. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine 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.
Vorzugsweise ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Verbindungsstelle der Gehäusewandung gegenüberliegt. Dann korrespondieren die zwei Teilabschnitte der Eintrittskante jeder Laufschaufel mit den zugehörigen Fluten. Die der ersten Flut zugeordnete erste Eintrittskante überdeckt die erste Flut, wohingegen die der zweiten Flut zugeordnete zweite Eintrittskante die zweite Flut überdeckt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knick spitz ist.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Knick rund ist. Auch ein runder Knick weist zwei miteinander verbundene Schenkel auf, die einen Winkel kleiner 180° bilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knick nach außen gerichtet ist. Der Knick weist in Richtung der Fluten bzw. der Gehäusewandung und ist entgegen der Anströmung ausgerichtet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Eintrittskante eine konkave Seite aufweist, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel mit ausbildet. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass die Abgasströmung beim Austritt aus der ersten Flut häufig eingeschnürt wird und sich vor dem Eintritt in das Laufrad wieder aufweitet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Eintrittskante eine konvexe Seite aufweist, die bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel mit ausbildet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Eintrittskante eine konkave Seite aufweist, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel mit ausbildet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Eintrittskante eine konvexe Seite aufweist, die bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel mit ausbildet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen 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.
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.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen 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.
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, d. h. dessen Schaufeln. Der Überströmkanal ermöglicht eine Interaktion zwischen den Fluten.
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.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Zungenabstand variabel ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens einer Öffnung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades miteinander verbindbar sind.
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.
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.
Vielmehr ist es hinsichtlich einer Stauaufladung vorteilhaft, das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine zu vergrößern, um die Druckschwankungen zu minimieren.
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.
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.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Abgaskrümmer der Zylindergruppen durch Freigeben mindestens einer Öffnung miteinander verbindbar sind.
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.
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.
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.
Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Zudem kann auf diese Weise an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.
Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt zudem die Stoßaufladung im unteren Last- bzw. Drehzahlbereich.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades mittels eines um die Welle herum verlaufenden ringförmigen Bandes miteinander verbunden sind. Das Band kann einteilig oder modular aufgebaut sein, wobei ein modular aufgebautes, mehrere Bandabschnitte umfassendes Band vorzugsweise jeweils zwei benachbarte Laufschaufeln des Laufrades mittels eines Bandabschnittes miteinander verbindet. Die Steifigkeit des Laufrades wird durch das ringförmige Band erhöht, wodurch sich das Schwingungsverhalten verbessert und die Geräuschemission gemindert wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das ringförmige Band eintrittsseitig angeordnet ist.
Dann kann das Band beispielsweise auch dazu genutzt werden, die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen – über den Eintritt in das Laufrad hinaus – zumindest abschnittsweise auch noch beim Durchströmen des Laufrades bzw. der Laufschaufeln voneinander zu trennen. Dies führt zu einer Verlängerung der Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zu der Verbindungsstelle der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen zu einem gemeinsamen Abgassystem.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das ringförmige Band im Bereich der Verbindungstelle aus der Eintrittskante jeder Laufschaufel herausragt.
Dabei wird zwischen dem Band und der Gehäusewandung ein Spalt vorgesehen, der erforderlich ist, damit sich das Laufrad möglichst verlustfrei, d. h. reibungsarm drehen kann.
Der Spalt sollte einerseits ausreichend groß sein, um ein freies Umlaufen des mindestens einen Laufrades zu ermöglichen, andererseits aber auch so eng wie möglich sein, damit der Trennungsgrad der Fluten möglichst groß ist, d. h. eine Interaktion weitestgehend unterbunden wird.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das ringförmige Band zumindest in einem der Gehäusewandung gegenüberliegenden Bereich originär mit einem abriebfähigen Material beschichtet ist. Das beschichtete Band kann dann vor der Montage der Turbine originär ein gewisses Übermaß aufweisen, ohne dass dies schädlich wäre. Im Betrieb würde infolge Reibung so viel Material bei umlaufendem Laufrad abgerieben, d. h. abgetragen, dass sich ein Spalt ausbildet. Der auf diese Weise ausgebildete Spalt hat nach einem Einlaufvorgang in vorteilhafter Weise genau das erforderliche Mindestspaltmaß.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das ringförmige Band eine Fortsetzung der die beiden Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung bildet und damit die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen trennt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten das mindestens eine Laufrad – nebeneinander angeordnet – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Mixed-Flow-Turbine ist. Es wird Bezug genommen auf die bereits hierzu gemachten Ausführungen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß der 1a, 1b, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a in der Seitenansicht fragmentarisch und teilweise geschnitten die zweiflutige Turbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
1b in der Draufsicht die Eintrittskante einer Laufschaufel der in 1a gezeigten Turbine,
2a schematisch in der Seitenansicht einen spitzen Knick, und
2b in der Seitenansicht einen runden Knick.
1a zeigt in der Seitenansicht fragmentarisch und teilweise geschnitten die zweiflutige Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle gelagert ist. Die dargestellte zweiflutige Turbine 1 ist eine Zwillingsstromturbine 1, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Fluten 5a, 5b nebeneinander angeordnet sind und das mit Laufschaufeln 3a ausgestattete Laufrad 3 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Die beiden Fluten 5a, 5b sind dabei radial gleichweit beabstandet zur Welle der Turbine 1 im Gehäuse 2 angeordnet und werden bis hin zum Laufrad 3 mittels Gehäusewandung 2a voneinander getrennt. Die Gehäusewandung 2a weist laufradseitig ein freies zungenartiges Ende auf, welches so nahe wie möglich an das Laufrad 3 heranreicht.
Jede Laufschaufel 3a des Laufrades 3 weist eine den Fluten 5a, 5b zugewandte Eintrittskante 4 auf, die über zwei Teilabschnitte 4a, 4b verfügt, nämlich eine der ersten Flut 5a zugeordnete erste Eintrittskante 4a und eine der zweiten Flut 5b zugeordnete zweite Eintrittskante 4b, die in einer Verbindungsstelle 6 miteinander verbunden sind und auf die Weise die Eintrittskante 4 ausbilden, die in der Verbindungsstelle 6 einen Knick 7 aufweist.
Die Laufschaufelkante 4 weist in der Verbindungsstelle 6, welche sich gegenüber und nahe der Gehäusewandung 2a befindet, vorliegend einen dachförmigen spitzen Knick 7, 7a auf, wobei die Spitze nach außen zeigt, d. h. in Richtung der Fluten 5a, 5b bzw. der Gehäusewandung 2a gerichtet ist. Eine erfindungsgemäß ausgebildete Laufschaufelkante 4 verbessert die Anströmbedingungen beim Eintritt in die Laufschaufeln 3a und damit die Stoßaufladung.
1b zeigt in der Draufsicht, d. h. von den Fluten aus in Richtung der Laufschaufeln gesehen, die Eintrittskante 4 einer Laufschaufel der in 1a gezeigten Turbine.
Die erste Eintrittskante 4a weist eine konkave Seite 4a´ auf, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel mit ausbildet. Die Drehrichtung D der Schaufel bzw. der Kante 4 ist durch einen Pfeil kenntlich gemacht. Eine konvexe Seite 4a´´ der ersten Eintrittskante 4a bildet bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel mit aus.
Die zweite Eintrittskante 4b weist eine konkave Seite 4b´ auf, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel mit ausbildet. Die Drehrichtung D der Schaufel bzw. der Kante 4 ist durch einen Pfeil kenntlich gemacht. Eine konvexe Seite 4b´´ der zweiten Eintrittskante 4b bildet bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel mit aus.
Ersichtlich ist auch in der Draufsicht die Verbindungsstelle 6, in der die beiden Eintrittskanten 4a, 4b miteinander verbunden sind und einen Knick 7 ausbilden.
2a zeigt schematisch in der Seitenansicht einen spitzen Knick 7, 7a. Die beiden Eintrittskanten 4a, 4b sind in der Verbindungsstelle 6 miteinander verbunden und bilden in der Verbindungsstelle 6 einen Winkel und damit einen spitzen Knick 7 aus.
2b zeigt in der Seitenansicht einen runden Knick. Die beiden Eintrittskanten 4a, 4b sind in der Verbindungsstelle 6 miteinander verbunden und bilden in der Verbindungsstelle 6 einen Bogen und damit einen runden Knick 7 aus.
Bezugszeichenliste

1: zweiflutige Turbine, Zwillingsstromturbine
2: Turbinengehäuse
2a: Gehäusewandung
3: Laufrad
3a: Laufschaufel
4: Laufschaufelkante
4a: erste Eintrittskante, erster Teilabschnitt der Laufschaufelkante
4a´: konkave Seite der ersten Eintrittskante
4a´´: konvexe Seite der ersten Eintrittskante
4b: zweite Eintrittskante, zweite Teilabschnitt der Laufschaufelkante
4b´: konkave Seite der zweiten Eintrittskante
4b´´: konvexe Seite der zweiten Eintrittskante
5a: erste Flut
5b: zweite Flut
6: Verbindungsstelle
7: Knick
7a: spitzer Knick
7b: runder Knick

Claims

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 (1), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln (3a) ausgestattetes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5a, 5b) der Turbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5a, 5b) in Richtung des mindestens einen Laufrades (3) zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung (2a) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, dadurch gekennzeichnet, dass – jede Laufschaufel (3a) des mindestens einen Laufrades (3) eine den Fluten (5a, 5b) zugewandte Eintrittskante (4) aufweist, wobei eine einer ersten Flut (5a) zugeordnete erste Eintrittskante (4a) und eine einer zweiten Flut (5b) zugeordnete zweite Eintrittskante (4b) in einer Verbindungsstelle (6) miteinander verbunden sind und auf die Weise die Eintrittskante (4) ausbilden, die in der Verbindungsstelle (6) einen Knick (7) aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (6) der Gehäusewandung (2a) gegenüberliegt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Knick (7, 7a) spitz ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Knick (7, 7b) rund ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Knick (7) nach außen gerichtet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eintrittskante (4a) eine konkave Seite (4a´) aufweist, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel (3a) mit ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eintrittskante (4a) eine konvexe Seite (4a´´) aufweist, die bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel (3a) mit ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eintrittskante (4b) eine konkave Seite (4b´) aufweist, die bei umlaufender Welle eine Rückseite der Laufschaufel (3a) mit ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Eintrittskante (4b) eine konvexe Seite (4b´´) aufweist, die bei umlaufender Welle eine Vorderseite der Laufschaufel (3a) mit ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (2a) eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse (2) verbundene Wand ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten (5a, 5b) bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (3) mittels Gehäusewandung (2a) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden Fluten (5a, 5b) voneinander trennende Gehäusewandung (2a) laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad (3) endet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zungenabstand variabel ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten (5a, 5b) der Turbine (1) innerhalb des Turbinengehäuses (2) durch Freigeben mindestens einer Öffnung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (3) miteinander verbindbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (3a) des mindestens einen Laufrades (3) mittels eines um die Welle herum verlaufenden ringförmigen Bandes miteinander verbunden sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Band eintrittsseitig angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Band im Bereich der Verbindungstelle (6) aus der Eintrittskante (4) jeder Laufschaufel (3a) herausragt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Band zumindest in einem der Gehäusewandung (2a) gegenüberliegenden Bereich originär mit einem abriebfähigen Material beschichtet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Band eine Fortsetzung der die beiden Fluten (5a, 5b) voneinander trennenden Gehäusewandung (2a) bildet und damit die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen trennt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Zwillingsstromturbine (1) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Mixed-Flow-Turbine ist.