DE102016106306B4

DE102016106306B4 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016106306B4
Application number: DE102016106306.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Rothenberger; Erwin Rutschmann; Dietmar Schwarzenthal
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2036-04-07
Also published as: CN107269385A; DE102016106306A1; US10641163B2; CN107269385B; KR101912524B1; JP6364519B2; KR20170114962A; JP2017187041A; US20170292439A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindergruppen (2, 3) aus jeweils mehreren Zylindern (2.1, 2.2, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3) und mit mehreren Abgasturboladern (9.1, 9.2, 11.1, 11.2), wobei mindestens einem ersten Abgasturbolader (9.1, 11.1) von ersten Auslassventilen (5.2) der Zylinder (2.1, 2.2, 2.3) der ersten Zylindergruppe (2) und von ersten Auslassventilen (5.2) der Zylinder (3.1, 3.2, 3.3) der zweiten Zylindergruppe (3) über mindestens einen ersten Abgaskrümmer (13.1, 13.2, 13.3; 14.1, 14.2, 14.3) Abgas zuführbar ist, und wobei mindestens einem zweiten Abgasturbolader (9.2, 11.2) von zweiten Auslassventilen (5.1) von Zylindern (2.1, 2.2, 2.3) der ersten Zylindergruppe (2) und von zweiten Auslassventilen (5.1) von Zylindern (3.1, 3.2, 3.3) der zweiten Zylindergruppe (3) über einen zweiten Abgaskrümmer (6, 7) Abgas zuführbar ist, wobei bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. im Teillast- und/oder Instationär-Betrieb über die mit den ersten Auslassventilen (5.2) verbundenen ersten Abgaskrümmer (13.1, 13.2, 13.3; 14.1, 14.2, 14.3) pro Zylindergruppe (2, 3) einer Turbine (8.1, 12.1) mindestens des ersten Abgasturboladers (9.1, 11.1) im Einströmbereich der Turbine (8.1, 12.1) in aufteilbaren Fluten (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30) Abgas zuführbar ist, während der zweite Abgasturbolader (9.2, 11.2) inaktiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylindergruppen (2, 3) vorgesehen sind, wobei der Abgasvolumenstrom über die zweiten Abgaskrümmer (6, 7) der beiden Zylindergruppen (2, 3) über ein Klappen- oder Ventil-gesteuertes (16.1, 16.2) Expansionsrohr (15) zusammenführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Abgasführungssystem zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einer Zylindergruppe aus jeweils mehreren Zylindern und mit mehreren Abgasturboladern, wobei mindestens einem ersten Abgasturbolader von ersten Auslassventilen der Zylinder der ersten Zylindergruppe und von ersten Auslassventilen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe Abgas zuführbar ist, und wobei mindestens einem zweiten Abgasturbolader von zweiten Auslassventilen von Zylindern der ersten Zylindergruppe und von Zylindern der zweiten Zylindergruppe Abgas über einen zweiten Abgaskrümmer zuführbar ist, wobei bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. im Teillast- und/oder Instationär-Betrieb über die mit den ersten Auslassventilen verbundenen ersten Abgaskrümmer pro Zylindergruppe einer Turbine mindestens des ersten Abgasturboladers im Einströmbereich der Turbine in aufteilbaren Fluten Abgas zuführbar ist, während der zweite Abgasturbolader inaktiv ist. Erst bei höheren oder hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. im Volllastbetrieb ist der zweite Abgasturbolader mittels Öffnung der zweiten Auslassventile und der Zuführung von Abgas über den zweiten der Abgaskrümmer zuschaltbar.
Als wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie von CO₂-Emission hat sich eine Hubraumreduzierung in Verbindung mit der Aufladung der Brennkraftmaschine herausgestellt, allgemein als „Downsizing“ bekannt. In Zusammenwirken mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs können hierbei erhebliche Potentiale sowohl für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs als auch der CO₂-Emissionen erschlossen werden. Dies wird erreicht durch verminderte innere Reibung der mechanischen Bauteile, durch eine Verschiebung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine in höhere Lastbereiche und durch eine Reduzierung des Gewichts der Brennkraftmaschine durch kleinere Hubräume bzw. Kolben und/oder auch durch eine reduzierte Zylinderanzahl.
Aus dem Stand der Technik und aus der Praxis sind eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten bekannt, die sich zum Teil auch mit den Besonderheiten beim Betrieb der für die Aufladung notwendigen Lader, insbesondere der vorzugsweise eingesetzten Abgasturbolader auseinandersetzen.
Beispielsweise ist aus der DE 42 42 494 C1 bekannt, die Turbine des Abgasturboladers mit einem verstellbaren Strömungsleitapparat zu versehen. Dabei sind insbesondere für mehrstufige Turbinen entsprechend angepasste Strömungsleitapparate vorgesehen. Die Anpassung soll in Verstellung und in Geometrie des Strömungsleitapparats erfolgen. Die in einer solchen Turbine herrschenden Betriebsbedingungen, nämlich relativ hohe Temperaturen bei u.U. sehr hohen Drehzahlen können ggfs. bei bewegbaren Bauteilen zur Verstellung des Leitapparats zu Funktionsproblemen führen.
Aus der DE 10 2007 058 296 A1 ist eine Turbine eines Abgasturboladers bekannt, deren Turbinengehäuse mehrere, über den Umfang des Turbinenrads verteilt angeordnete, sich jeweils über unterschiedliche Umfangswinkelbereiche erstreckende Anströmkammern aufweist, die von unterschiedlichen Fluten an Abgasstrom beaufschlagt werden können.
In der DE 10 2008 020 405 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gezeigt und beschrieben, dessen Turbinengehäuse mindestens zwei Spiralkanäle aufweist, von denen wenigstens einer zumindest zwei fluidisch getrennte Spiralsegmentkanäle umfasst, die mit unterschiedlichen Abgasleitungen der Brennkraftmaschine kuppelbar sind.
Und schließlich zeigt und beschreibt die DE 10 2010 060 110 A1 eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindergruppen aus jeweils mehreren Zylindern und mit mehreren Abgasturboladern, bei der Abgas von ersten Auslassventilen der Zylinder der ersten Zylindergruppe einem der ersten Zylindergruppe zugeordneten ersten Abgasturbolader über einen ersten Abgaskrümmer zugeleitet wird, während von zweiten Auslassventilen der Zylinder der ersten Zylindergruppe Abgas dem der ersten Zylindergruppe zugeordneten ersten Abgasturbolader über einen zweiten Abgaskrümmer der ersten Zylindergruppe zugeführt wird, wobei von ersten Auslassventilen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe Abgas dem der zweiten Zylindergruppe zugeordneten zweiten Abgasturbolader über einen ersten Abgaskrümmer der zweiten Zylindergruppe zuführbar ist, und wobei von zweiten Auslassventilen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe Abgas dem der zweiten Zylindergruppe zugeordneten zweiten Abgasturbolader über einen zweiten Abgaskrümmer der zweiten Zylindergruppe zuführbar ist. Dabei sind die ersten Abgaskrümmer der ersten und der zweiten Zylindergruppe miteinander gekoppelt und weisen unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf, wodurch die Aufladung verbessert werden soll. Abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine soll der zweite Abgasturbolader zu- oder abgeschaltet werden.
Aus der gattungsgemäßen deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 055 996 A1 ist ein Verfahren für eine Zylindergruppe bekannt, bei dem bei niedrigen Drehzahlen ein Abgasturbolader abschaltbar ist. Insbesondere bei mehreren Zylinderbaugruppen kann dies jedoch im Volllastbetrieb zu Ladedruckproblemen führen. Eine ähnliche Anordnung offenbart die japanische Offenlegungsschrift JP H06-280586 A .
Von einem solchen Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindergruppen bzw. bei einem Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine zur Anwendung eines solchen Verfahrens vorzuschlagen, das sich neben einer Leistungssteigerung bei reduziertem Kraftstoffverbrauch und reduzierten Emissionen insbesondere durch eine erhebliche Verbesserung des Ansprechverhaltens bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, in Teillast und/oder instationärem Betrieb und im Ladungsverhalten über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine auszeichnet.
Die Aufgabe nach der Erfindung wird bei einem eingangs gekennzeichneten Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bzw. bei einem Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine zur Anwendung eines solchen Verfahrens dadurch gelöst, dass mehrere Zylindergruppen vorgesehen sind, wobei der Abgasvolumenstrom über die zweiten Abgaskrümmer der beiden Zylindergruppen über ein Klappen- oder Ventil-gesteuertes Expansionsrohr zusammenführbar ist. Hierdurch ist auf besonders einfache Art und Weise eine Optimierung des Abgasstromes möglich.
Beim Verfahren nach der Erfindung kann die Inaktivität des zweiten Turboladers infolge eines Ventilhubs = 0 bzw. eines minimalen Ventilhubs der mit den zweiten Abgaskrümmern verbundenen zweiten Auslassventile erzielbar sein.
Das Verfahren nach der Erfindung kann vorzugsweise mit einem Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine umgesetzt werden, bei dem die ersten Abgaskrümmer mit geringem Querschnitt ausgeführt sind und mit geringer Länge an dem Abgaseintritt in die Turbine des Abgasturboladers anschließbar sind.
Das Abgasführungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass zumindest in der Turbine des ersten Abgasturboladers voneinander getrennte, vorzugsweise spiralförmig um das Laufrad der Turbine verlaufende Einströmkanäle zum aufgeteilten Einleiten der Abgasfluten angeordnet sind.
Für einen optimalen Betrieb der Abgasturbolader bei hohen Drehzahlen bzw. unter Volllast ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Auslassventile zur Zuführung eines Abgasstroms zur zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers für sehr frühes Öffnen ausgelegt sind. Diese frühe Öffnung wird zweckmäßigerweise über einen mit besonders breitem Profil versehenen Nocken der über eine Nockenwelle erfolgenden Ventilsteuerung erreicht.
Vorzugsweise sind die Turbinen der Abgasturbolader zur Ausübung des erfinderischen Verfahrens als Radialturbinen ausgeführt. Ebenso denkbar ist jedoch die Anwendung von Axial- oder auch „Mixed-flow“-Turbinen.
Infolge der Ausführung der ersten Abgaskrümmer zur direkten Anbindung auf kürzest möglichem Weg an die jeweiligen ersten Auslassventile der Zylindergruppen an den Einströmbereich der ersten Turbine des ersten Turboladers und deren Ausführung mit geringem Strömungsquerschnitt wird infolge des zyklischen Ablaufs der Verbrennung in einer Hubkolben-Brennkraftmaschine über die davon ausgehende stoßartige Beaufschlagung der Turbine ein besonders gutes Ansprechverhalten bei der Abgasaufladung bei niedrigen Drehzahlen erreicht. Dies kann zusätzlich noch - insbesondere bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen - dadurch begünstigt werden, dass die Zündabstände der einzelnen Zylinder im Betrieb der Brennkraftmaschine so gewählt werden, dass sie einen möglichst großen Abstand aufweisen.
Das Verfahren nach der Erfindung und das Abgasführungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungen von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge.
Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung und eines entsprechenden Abgasführungssystems hat neben einer Verbesserung der Betriebsbedingungen in Teillast bzw. bei instationärem Betrieb bei einem Betrieb unter hoher Last durch Erhöhung des abgasführenden Volumens vor der Turbine durch die unterschiedliche Zuleitung der Abgasströme eine deutliche Absenkung der mittleren Abgastemperatur zur Folge. Durch die entsprechende Gestaltung der Abgasführung beim ersten Abgasturbolader ist eine Verstärkung des sogenannten Stauaufladungsprinzips erzielbar.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung gezeigt und beschrieben. Anhand dieser Ausführungsbeispiele sollen Merkmale, bevorzugte Weiterbildungen und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes bzw. des erfinderischen Verfahrens näher erläutert werden.
Die Erfindung ist hier nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele, z.B. mit bei einer Brennkraftmaschine mit 6 Zylindern beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch an einer Brennkraftmaschine mit separaten Zylindergruppen umgesetzt werden, wenn diese 2, 4 oder auch mehr Zylinder in z.B. V-, W-, Reihen- oder auch Boxer-Anordnung umfassen.
Die Zeichnung zeigt den Erfindungsgegenstand in schematischer Darstellung, insbesondere bezogen auf den Verlauf der Abgasströme vom Zylinderaustritt bis zur Turbine des Abgasturboladers.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Abgasströme über die Auslassventile einer 6-Zylinder-Brennkraftmaschine, angeordnet in zwei Zylindergruppen mit den zugeordneten Abgasturboladern;
2 den Ladedruckverlauf bei Betrieb mit einem Turbolader im Unterschied zum Ladedruckverlauf bei Betrieb mit zwei Turboladern;
Die 3, 4, 5, 6 und 7 zeigen schematisch in einem Teilquerschnitt Turbinengehäuse bzw. deren Einströmbereiche zur Ausführung des erfinderischen Verfahrens.

Eine Brennkraftmaschine 1 mit zwei jeweils 3-zylindrigen Zylindergruppen 2 und 3 weist in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise bei jedem der Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 bzw. 3.1, 3.2 und 3.3 zwei Einlassventile 4 und ebenfalls bei jedem der Zylinder jeweils ein Auslassventil 5.1 und ein Auslassventil 5.2 auf. Die Auslassventile 5.1 aller drei Zylinder 2.1, 2.2 und 2.3 der ersten Zylindergruppe 2 sind über einen gemeinsamen Abgaskrümmer 6 hinsichtlich des Abgasstroms nach einem Verbrennungsvorgang in den Zylindern in Reihe verbunden. Ebenso sind die Auslassventile 5.1 der Zylinder 3.1, 3.2 und 3.3 der zweiten Zylindergruppe 3 hinsichtlich ihres Abgasstroms nach einem Verbrennungsvorgang in den Zylindern über einen gemeinsamen Abgaskrümmer 7 verbunden. Die Abgaskrümmer 6 bzw. 7 münden im Ausführungsbeispiel nach 1 in einen Abgaseinströmbereich der mindestens einen Turbine 8.2 bzw. 12.2 des mindestens einen Abgasturboladers 9.2 bzw. 11.2. Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist dieser Abgasturbolader 9.2 bzw. 11.2 je nach den Betriebsbedingungen zu- oder abschaltbar.
Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. im Teil-last- und/oder Instationär-Betrieb sind die Auslassventile 5.1 in beiden Zylindergruppen 2 und 3, gesteuert über z.B. entsprechende Nocken auf einer die Ein- und Auslass-Ventile betätigenden Nockenwelle, geschlossen, also mit einem Hub = 0 bzw. allenfalls mit Minimal-Hub versehen, so dass bei den Verbrennungstakten der gesamte Abgasstrom ausschließlich bzw. nahezu ausschließlich über die Auslassventile 5.2 und über relativ kurz und mit niedrigem Querschnitt ausgeführte Abgaskrümmer 13.1, 13.2, 13.3 bzw. 14.1, 14.2, 14.3 der bzw. den Turbine/n 8.1 bzw. 12.1 der parallel zu dem/den Abgasturboladern 9.2 bzw. 11.2 angeordneten Abgasturbolader 9.1 bzw. 11.1 zugeführt wird. Damit wird erreicht, dass über die Verbrennungstakte der Brennkraftmaschine ein stoßartiger Ablauf der Aufladung im Abgasturbolader insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen erfolgt, was zu einem guten Ansprechverhalten der aufgeladenen Brennkraftmaschine führt.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abgaskrümmer 13.1, 13.2, 13.3 bzw. 14.1, 14.2, 14.3 als getrennt zum Einströmbereich in die Turbinen 8.1 bzw. 12.1 geführte Leitungen gezeigt. Selbstverständlich ist es aber auch ohne weiteres denkbar - ähnlich wie die Abgaskrümmer 6 bzw. 7 - den aus den Auslassventilen ausgestoßenen Abgasstrom in einer Leitung zusammenzuführen oder diesen innerhalb eines gemeinsamen Abgaskrümmers in - z.B. - drei getrennten Leitungskanälen zu führen, um diesen dann im Einströmbereich in die Turbinen 8.1 bzw. 12.1 in mehrere - im Beispiel drei - Fluten aufzuteilen - siehe nachstehende Detailerläuterung zu den 3 bis 7.
Die beiden Abgaskrümmer 6 bzw. 7 sind idealerweise ebenfalls als möglichst direkte Verbindung zwischen dem Auslassbereich der Auslassventile 5.1 und dem Einströmbereich der Turbine 8.2 bzw. 12.2 des/der Abgasturbolader/s 9.2 bzw. 11.2 ausgeführt. Die Abgaskrümmer 6 bzw. 7 sind vorzugsweise mit großem Querschnitt für große Volumenströme ausgelegt. Die bei hohen Drehzahlen bzw. bei Volllast der Brennkraftmaschine gewünschte gleichmäßige Aufladung bzw. Stauaufladung wird zunächst dadurch erreicht, dass die Abgaskrümmer 13 bzw. 14 mit relativ großem Querschnitt ausgeführt sind. Zusätzlich dazu kann durch entsprechende Anpassung der Länge der Abgaskrümmer 6 bzw. 7 ein entsprechend großes Volumen erzeugt werden, so dass sich ein gleichmäßiger Volumenstrom einstellt.
Im höheren Lastbetrieb der Brennkraftmaschine 1 bzw. unter Volllast, also bei entsprechend höheren oder hohen Drehzahlen werden, wiederum gesteuert über Nocken der Nockenwelle, die Auslassventile 5.1 der beiden Zylindergruppen 2 und 3 geöffnet. Idealerweise erfolgt die Öffnung über einen mit einem sehr breiten Profil ausgeführten Nocken zur Steuerung der Auslassventile 5.1, so dass ein sehr frühzeitiges Öffnen der zweiten Auslassventile 5.1 erfolgt und damit die Zuschaltung des/der mit den Abgasturboladern 9.1 bzw. 11.1 parallelgeschalteten Abgasturboladern 9.2 bzw. 11.2 über die Einspeisung von Abgas in deren Turbinen 8.2 bzw. 12.2 erreichbar ist. Infolge dieses frühen Öffnens werden die Auslassstöße der Abgasströme aus den Zylindern zunächst nur auf die die Auslassventile 5.1 der beiden Zylindergruppen 2 bzw. 3 verbindenden, großvolumigen Abgaskrümmer 6 bzw. 7 gegeben, wodurch Druckstöße reduziert bzw. abgebaut und ein weitgehend gleichmäßiger Massenstrom in den Abgaskrümmern erreicht wird.
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abgaskrümmer 6 bzw. 7 über ein Expansionsrohr 15 verbunden sind. Dieses Expansionsrohr 15 kann mit Klappen 16.1 bzw. 16.2 (oder Ventilen) geöffnet oder geschlossen werden. Im z.B. Teillastbetrieb bzw. bei niedrigen Drehzahlen sind die Klappen geschlossen (wie auch die Auslassventile 5.1), so dass das kleine Volumen der kurz und mit geringem Querschnitt ausgeführten ersten Abgaskrümmer 13.1, 13.2, 13.3 bzw. 14.1, 14.2, 14.3 für eine Stoßaufladung wirkt. Im Volllastbetrieb bzw. bei hohen Drehzahlen wird über die Öffnung der Klappen 16.1 bzw. 16.2 das Volumen für den Abgasstrom vergrößert, so dass eine entsprechende Unterstützung für den Übergang von einer Stoßaufladung zu einer Stauaufladung erreichbar ist.
In 2 wird in einem Diagramm (über der Drehzahl n ist der Ladedruck d aufgetragen) der Zusammenhang zwischen Drehzahl und den von den Abgasturboladern 9.1 bzw. 11.1 bereitstellbaren Ladedruck dargestellt. Bei geschlossenen Auslassventilen 5.1 und inaktivem Abgasturbolader 9.2 bzw. 11.2 stellt sich infolge des geringen Volumens und der direkten, auf kürzestem Weg erfolgenden Anbindung der Abgaskrümmer 13.1, 13.2, 13.3 bzw. 14.1, 14.2, 14.3 an die Bereiche der Auslassventile 5.2 mit dem Einlassbereich der Turbine 8.1 bzw. 12.1 des Abgasturboladers 9.1 bzw. 11.1 ein sehr schneller Anstieg des Ladedrucks d im Abgasturbolader 9.1 bzw. 11.1 ein - siehe Kurve k1 in 2. Infolge des geringen Volumens und des geringen Volumenstroms in den ersten Abgaskrümmern 13.1, 13.2, 13.3 bzw. 14.1, 14.2, 14.3 fällt bei ansteigender Drehzahl n der Brennkraftmaschine der Ladedruck d ggf. abrupt ab. Zur Verhinderung dieses sogenannten „Turbolochs“ erfolgt vor dem Abfall des Ladedrucks d die Zuschaltung/Öffnung - Zuschaltbereich Z in 2 - der Auslassventile 5.1 und damit die Zuschaltung des/der zweiten Turboladers 9.2 bzw. 11.2 der zweiten Turboladergruppe. Mit den entsprechend großvolumig ausgeführten zweiten Abgaskrümmern 6 bzw. 7 stellt sich eine deutliche Vergrößerung des Volumenstroms zu den Turboladern ein und damit ein Übergang von der Stoßwellenaufladung zu einer gleichmäßigen Stauaufladung.
Die Volumenvergrößerung zur Führung des Abgasstroms kann zusätzlich noch durch das Öffnen der Klappen 16.1 bzw. 16.2 im Expansionsrohr 15 ergänzt werden. In 2 ist die Öffnung des Expansionsrohrs 15 mit den Pfeilen A bzw. B dargestellt: Bei Pfeil A ist das Expansionsrohr geschlossen; es wird geöffnet - siehe Pfeil B -, sobald der Ladedruck d bei sehr hohen Drehzahlen abzufallen droht.
Wie vorstehend schon beschrieben, ist es zweckmäßig, den Zuschaltbereich für den zweiten Turbolader 9.2 bzw. 11.2 über ein frühzeitiges Öffnen der Auslassventile 5.1 mit dem Betriebsbereich des bzw. der Turbolader/s 9.1 bzw. 11.1 zu überlappen. Das kann durch Auslassventile 5.1 mit entsprechend breiter Profilierung erreicht werden, die eine frühe Öffnung der zweiten Auslassventile 5.1 ermöglichen.
Das Verfahren nach der Erfindung bzw. das Abgasführungssystem zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens kann in sinnvoller Weise dadurch unterstützt werden, dass der Einströmbereich des Abgasstroms in die Turbinen der Abgasturbolader entsprechend gestaltet wird. So kann z.B. der Volumenstrom insbesondere der Abgaskrümmer 13, 14, aber ggfs. auch der Abgaskrümmer 6, 7 im Einströmbereich der Turbine 8.1, 8.2, 12.1, 12.2 in mehrere Fluten aufgeteilt werden. Das kann über Doppelstrom - Kanäle 20 bzw. 21 - siehe 3 - (z.B. bei einer 4-Zylinder-Brennkraftmaschine) oder über einen Dreistrom mit Kanälen 22, 23 und 24 (bei z.B. einer 6-zylindrischen Brennkraftmaschine) - siehe 4 - erfolgen. Mit einer solchen Volumenstromaufteilung wird das Laufrad L der Turbine auf dessen Umfang verteilt gleichmäßig beaufschlagt.
In den 5, 6 und 7 sind Gehäusegestaltungen für Turbinen von Abgasturboladern schematisch dargestellt. 5 zeigt die Anordnung von Strömungskanälen in Zwillingsform (Kanäle 25 und 26). Eine etwas abweichende Anordnung in Zwillingsform zeigen die 6 und 7 mit den Kanälen 27, 28 bzw. 29 und 30.
Besonders zweckmäßig ist es in jedem Fall - dies gilt auch für die in den 5-7 dargestellten Zwillingsanordnungen der Kanäle - die Mündung der Kanäle auf das Laufrad L der Turbine spiralförmig versetzt auf den Außenumfang des Laufrads L zu verteilen.
Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass das Laufrad der Turbine des Abgasturboladers radial, axial oder auch als „Mixed-flow“-Version (radial-axial) ausgeführt sein kann.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylindergruppe
2.1, 2.2, 2.3: Zylinder
3: Zylindergruppe
3.1, 3.2, 3.3: Zylinder
4: Einlassventil
5.1: Zweites Auslassventil
5.2: Erstes Auslassventil
6: Zweiter Abgaskrümmer Zylindergruppe 2
7: Zweiter Abgaskrümmer Zylindergruppe 3
8.1: Turbine von Abgasturbolader 9.1
9.1: Abgasturbolader
9.2: Abgasturbolader
11.1: Abgasturbolader
12.1: Turbine von Abgasturbolader 11.1
12.2: Turbine von Abgasturbolader 11.2
13.1, 13.2, 13.3: Erster Abgaskrümmer Zylindergruppe 2
14.1, 14.2,14.3: Erster Abgaskrümmer Zylindergruppe 3
15: Expansionsrohr
16.1, 16.2: Klappe/Ventil
20, 21, 22, 23 24, 25, 26, 27 28, 29, 30: Kanäle im Einströmbereich Turbine
31: Katalysator
32: Katalysator
33: Endschalldämpfer
34: Endschalldämfer
A: Geschlossenes Expansionsrohr 15
B: Offenes Expansionsrohr 15
Z: Zuschaltbereich
n: Drehzahl
d: Ladedruck
k1: = Kurve 1 in 2
k2: = Kurve 2 in 2
L: Laufrad

Claims

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindergruppen (2, 3) aus jeweils mehreren Zylindern (2.1, 2.2, 2.3, 3.1, 3.2, 3.3) und mit mehreren Abgasturboladern (9.1, 9.2, 11.1, 11.2), wobei mindestens einem ersten Abgasturbolader (9.1, 11.1) von ersten Auslassventilen (5.2) der Zylinder (2.1, 2.2, 2.3) der ersten Zylindergruppe (2) und von ersten Auslassventilen (5.2) der Zylinder (3.1, 3.2, 3.3) der zweiten Zylindergruppe (3) über mindestens einen ersten Abgaskrümmer (13.1, 13.2, 13.3; 14.1, 14.2, 14.3) Abgas zuführbar ist, und wobei mindestens einem zweiten Abgasturbolader (9.2, 11.2) von zweiten Auslassventilen (5.1) von Zylindern (2.1, 2.2, 2.3) der ersten Zylindergruppe (2) und von zweiten Auslassventilen (5.1) von Zylindern (3.1, 3.2, 3.3) der zweiten Zylindergruppe (3) über einen zweiten Abgaskrümmer (6, 7) Abgas zuführbar ist, wobei bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine bzw. im Teillast- und/oder Instationär-Betrieb über die mit den ersten Auslassventilen (5.2) verbundenen ersten Abgaskrümmer (13.1, 13.2, 13.3; 14.1, 14.2, 14.3) pro Zylindergruppe (2, 3) einer Turbine (8.1, 12.1) mindestens des ersten Abgasturboladers (9.1, 11.1) im Einströmbereich der Turbine (8.1, 12.1) in aufteilbaren Fluten (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30) Abgas zuführbar ist, während der zweite Abgasturbolader (9.2, 11.2) inaktiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylindergruppen (2, 3) vorgesehen sind, wobei der Abgasvolumenstrom über die zweiten Abgaskrümmer (6, 7) der beiden Zylindergruppen (2, 3) über ein Klappen- oder Ventil-gesteuertes (16.1, 16.2) Expansionsrohr (15) zusammenführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inaktivität des zweiten Turboladers (9.2, 11.2) infolge eines Ventilhubs = 0 bzw. eines minimalen Ventilhubs der mit den zweiten Abgaskrümmern (6, 7) verbundenen zweiten Auslassventile (5.1) erzielbar ist.
Abgasführungssystem für eine Brennkraftmaschine zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abgaskrümmer (13.1, 13.2, 13.3; 14.1, 14.2, 14.3) mit geringem Querschnitt ausgeführt und mit geringer Länge an den Abgaseintritt in die Turbine (8.1, 12.1) des ersten Abgasturboladers (9.1, 11.1) angeschlossen sind.
Abgasführungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abgaskrümmer (6, 7) mit großem Querschnitt zum Erzeugen eines gleichmäßigen Volumenstroms an den Abgaseintritt in die Turbine (8.2, 12.2) des zweiten Abgasturboladers (9.2, 11.2) angeschlossen sind.
Abgasführungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Turbine (8.1, 12.1) des ersten Abgasturboladers (9.1, 11.1) getrennt verlaufende Einströmkanäle (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30) zum Einleiten der aufgeteilten Abgasfluten angeordnet sind.
Abgasführungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmkanäle (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30) aller Turbinen (8.1, 8.2, 12.1, 12.2) der Abgasturbolader (9.1, 9.2, 11.1, 11.2) als getrennt verlaufende Spiralkanäle ausgeführt sind.
Abgasführungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Auslassventile (5.1) zur Zuführung des Abgasstroms zur zweiten Turbine (8.2, 12.2) des zweiten Abgasturboladers (9.2, 11.2) für frühes Öffnen ausgelegt sind.
Abgasführungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die frühe Öffnung der zweiten Auslassventile (5.1) über einen mit besonders breitem Profil ausgeführtem Nocken auf einer die Steuerung der Ein- (4) bzw. der Auslass-Ventile (5.1, 5.2) bewirkenden Nockenwelle erfolgt.
Abgasführungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (8.1, 8.2, 12.1, 12.2) der Abgasturbolader (9.1, 9.2, 11.1, 11.2) als Radial- oder Axial- oder „Mixed-flow“-Turbine ausgeführt ist.
Brennkraftmaschine mit einem Abgasführungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine und/oder das Abgasführungssystem zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bei einem Kraftfahrzeug Anwendung findet.