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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 aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die zwei Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen segmentierten Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst und deren zwei Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts aufeinander liegend angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, und
- – die zwei benachbarten Fluten in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen im Turbinengehäuse mittels Gehäusewandungen voneinander getrennt sind, wobei jede – die zwei benachbarten Fluten voneinander trennende – Gehäusewandung laufradseitig ein freies Ende aufweist und beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der Ventiltriebe. 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 eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils 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, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der 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 oder mehreren 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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Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konstruktive Ausgestaltung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, hinsichtlich welcher Kennfeldbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
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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.
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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 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.
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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, 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.
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Zielführend ist es daher, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammenzuführen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden werden kann.
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Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass diese Zylinder zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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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 zusammenzufassen. Wird beispielsweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1-2-4-3 bzw. gemäß der Zündfolge 1-3-4-2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammenzufassen.
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Nach dem Stand der Technik können die Gesamtabgasleitungen der Zylindergruppen mit einer Zwillingstromturbine oder einer Doppelstromturbine verbunden werden. Bei einer Zwillingsstromturbine verlaufen die zwei Fluten parallel nebeneinander liegend auf gleich großen Radien um das mindestens eine Laufrad herum. Die Anströmung des Laufrades erfolgt aus beiden Fluten über den vollen Umfang des Laufrades, wobei die zwei Fluten in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen im Turbinengehäuse mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind. Die Gehäusewandung weist laufradseitig ein freies Ende auf, endet beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad und ist regelmäßig senkrecht zur Welle bzw. Drehachse der Turbine ausgerichtet.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über eine Doppelstromturbine.
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1a zeigt schematisch eine Doppelstromturbine 1, 10 nach dem Stand der Technik und zwar geschnitten senkrecht zur Drehachse 4 des Laufrades 3. Die Doppelstromturbine 10 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist. Die Doppelstromturbine 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten 8, 9 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts aufeinander liegend angeordnet sind, das Laufrad 3 spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zum Laufrad 3 hin geöffnet sind. Die beiden Gesamtabgasleitungen 6, 7 sind mit dem Gehäuse 2 der Doppelstromturbine 10 verbunden, wobei sich an jede Gesamtabgasleitungen 6, 7 eine Flut 8, 9 der Turbine 1 anschließt. Jede Flut 8, 9 der Turbine 1 ist folglich mit einer Zylindergruppe der Brennkraftmaschine verbunden.
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Die zwei benachbarten Fluten 8, 9 sind in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen 6, 7 im Turbinengehäuse 2 mittels zweier Gehäusewandungen 5 voneinander getrennt, wobei die Gehäusewandungen 5 laufradseitig jeweils ein freies Ende 5a aufweisen und beabstandet zum Laufrad 3 enden. Neben einer im Inneren des Turbinengehäuses 2 verlaufenden Gehäusewandung 5 weist die Turbine 1 eine weitere Gehäusewandung 5 auf, welche die Fluten 8, 9 im Eintrittsbereich der Turbine 1 voneinander trennt.
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Die zwei die Fluten 8, 9 voneinander trennenden Gehäusewandungen 5 mitsamt ihren freien Enden 5a verlaufen parallel zur Welle 4 des Laufrades 3 und nicht senkrecht wie bei der Zwillingstromturbine.
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1b zeigt schematisch in einer perspektivischen Darstellung die abgasführende Struktur im Turbinengehäuse 2 der in 1a gezeigten Doppelstromturbine 10, d. h. den Abgasstrom 8a der ersten Flut sowie den Abgasstrom 9a der zweiten Flut.
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Gegenüber der Zwillingstromturbine hat die Doppelstromturbine mehrere Vorteile. Die Doppelstromturbine verfügt beispielsweise über ein besseres Trennverhalten, d. h. einen höheren Trennungsgrad. Einer Interaktion zwischen den beiden Fluten bzw. den Abgasabführsystemen der zwei Zylindergruppen wird effektiver entgegen gewirkt. Zudem verdecken die kleineren bzw. weniger voluminösen freien Enden der Gehäusewandungen den Eintrittsbereich in das Laufrad weniger großflächig. Als nachteilig erweisen sich hingegen starke Unstetigkeiten an den freien Enden bzw. Verluste über die freien Enden hinweg, welche im Falle der Einzelbeaufschlagung, d. h. der Abgasbeaufschlagung nur einer Flut, auftreten. Es kommt zu Anstellwinkeländerungen am Eintritt in das Laufrad nahe der freien Enden und im Einzelfall zu einem ungewollten Massentransport durch das Laufrad in bzw. aus der nicht beaufschlagten Flut.
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Insofern sind Maßnahmen erforderlich, mit denen den vorstehend beschriebenen Nachteilen einer Doppelstromturbine entgegen getreten wird, insbesondere den im Falle einer Einzelbeaufschlagung im Bereich der freien Enden auftretenden Unstetigkeiten und Verlusten.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren mindestens eine zweiflutige segmentierte Turbine gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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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 aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die zwei Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen segmentierten Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst und deren zwei Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts aufeinander liegend angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, und
- – die zwei benachbarten Fluten in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen im Turbinengehäuse mittels Gehäusewandungen voneinander getrennt sind, wobei jede – die zwei benachbarten Fluten voneinander trennende – Gehäusewandung laufradseitig ein freies Ende aufweist und beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – das freie Ende mindestens einer Gehäusewandung, welche die zwei benachbarten Fluten laufradseitig voneinander trennt, mit einer Ebene senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades einen spitzen Winkel α bildet mit: 0° ≤ α < 90°.
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Erfindungsgemäß verläuft das freie Ende einer die Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung nicht parallel zur Welle des mindestens einen Laufrades, sondern gegenüber der Welle gekippt. D. h. es gilt: α ≠ 90°.
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Das freie Ende mindestens einer Gehäusewandung bildet mit einer Ebene, die senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades verläuft, einen spitzen Winkel α mit: 0° ≤ α < 90°.
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Dieses gegenständliche konstruktive Merkmal des erfindungsgemäßen Turbinengengehäuses hat den Effekt, dass im Falle der Beaufschlagung nur einer Flut mit Abgas weitaus weniger starke Unstetigkeiten am freien Ende zu beobachten sind bzw. weniger Verluste über das freie Ende hinweg auftreten. Der ungewollte Massetransport durch das Laufrad in bzw. aus der nicht beaufschlagten Flut wird verhindert bzw. spürbar reduziert.
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Insofern werden die von einer herkömmlichen Doppelstromturbine her bekannten Nachteile aus dem Stand der Technik eliminiert, zumindest aber abgeschwächt.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren mindestens eine zweiflutige segmentierte Turbine gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Zweiflutige Turbinen eignen sich besonders für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise zusammengeführt werden, um eine Trennung der Fluten zu realisieren und um eine Interaktion zwischen den Fluten zu unterbinden.
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Das vorstehend für zweiflutige Turbinen Gesagte lässt sich grundsätzlich auf mehrflutige Turbinen übertragen, d. h. auf Turbinen mit zwei oder mehr als zwei Fluten. Die erfindungsgemäße zweiflutige segmentierte Turbine kann bei Bedarf mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die durch Verstellen an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Insofern sind Ausführungsformen mit drei, vier, fünf oder mehr Zylindern, bei denen die Abgasleitungen von mehr als zwei Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Verfügt die Brennkraftmaschine beispielsweise über zwei Zylinder, die jeweils nur eine Auslassöffnung aufweisen, bildet die sich an die Auslassöffnung anschließende Abgasleitung gleichzeitig die Gesamtabgasleitung sowie den Krümmer der zugehörigen Zylindergruppe.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige segmentierte Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
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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. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gegenüber einem mechanisch oder elektrisch angetriebenen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers darin, dass der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie direkt von der Brennkraftmaschine bezieht. Ein mechanisch angetriebener Lader benötigt zudem eine mechanische Verbindung zwischen Lader und Brennkraftmaschine zwecks Leistungsübertragung, die Bauraum beansprucht und die Anordnung der einzelnen Komponenten einschränkt, d. h. erschwert.
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Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zwecks Aufladung ein Lader vorgesehen ist. Der Lader kann anstelle des Abgasturboladers oder zusätzlich zu einer Abgasturboaufladung vorgesehen werden.
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Die zweiflutige Turbine kann gegebenenfalls einen Generator, eine Lichtmaschine, eine Batterie oder dergleichen mit Energie versorgen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das freie Ende jeder Gehäusewandung, welche die zwei benachbarten Fluten laufradseitig voneinander trennt, mit einer Ebene senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades einen spitzen Winkel α bildet mit: 0° ≤ α < 90°. Vorliegend ist das freie Ende jeder der beiden Gehäusewandungen gegenüber der Welle gekippt, so dass diese Enden jeweils mit einer Ebene senkrecht zur Welle einen spitzen Winkel α bilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 0° ≤ α < 60°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 0° ≤ α < 45°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 5° ≤ α < 40°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 10° ≤ α < 40°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 10° ≤ α < 35°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen gilt: 15° ≤ α < 30°.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Fluten jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments von etwa 180° zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zwei Fluten jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments von bis zu 185° zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zwei Fluten jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments von bis zu 190° zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zwei Fluten jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments von bis zu 230° zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt. Je mehr Auslassöffnungen vorgesehen werden, desto effektiver bzw. verlustfreier lässt sich das Abgas abführen, wodurch der Ladungswechsel grundsätzlich verbessert wird.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen jede Zylindergruppe zwei Zylinder umfasst.
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Die eingangs erwähnte Stoßaufladung hat auch Nachteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Die Zylinder einer Gruppe können sich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder dieser Gruppe und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Als nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Der verschlechterte Ladungswechsel führt insbesondere bei steigender Last und zunehmender Drehzahl zu Nachteilen. Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt.
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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 höheren Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts des Turbinenlaufrades bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
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Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts des mindestens einen Laufrades 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 des Turbinenlaufrades in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv.
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Vielmehr wäre es hinsichtlich einer Stauaufladung vorteilhaft, die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zu einer einzigen Gesamtabgasleitung zusammenzuführen, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts einer in dieser Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine, d. h. stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, weitestgehend zu vergrößern, d. h. zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen miteinander verbindbar sind. Das Abgasabführsystem wird dann in Abhängigkeit der Drehzahl konfiguriert, um den Motor durch Trennen der Abgaskrümmer entsprechend einer Stoßaufladung und durch Verbinden der Abgaskrümmer entsprechend einer Stauaufladung aufladen zu können.
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Die Verbindung der Krümmer ist eine Verbindung nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, wodurch der beschriebenen Restgasproblematik bzw. der damit zusammenhängenden Klopfproblematik Vorschub geleistet werden kann.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Fluten der zweiflutigen Turbine im Turbinengehäuse miteinander verbindbar sind, wobei die Fluten in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder der Last miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt werden, um die Brennkraftmaschine mittels Stoßaufladung bzw. mittels Stauaufladung zu betreiben und aufzuladen.
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Die erfindungsgemäße zweiflutige Turbine kann auch eingesetzt werden bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist. Die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen von mindestens zwei Zylindern führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammen und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung. Die beiden Gesamtabgasleitungen werden mit der zweiflutigen Turbine in der Art verbunden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten verbunden ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der 1a, 1b, 2a, 2b, 2c und 2d näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch eine Doppelstromturbine nach dem Stand der Technik in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse bzw. Welle des Laufrades,
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1b schematisch in einer perspektivischen Darstellung die abgasführende Struktur im Turbinengehäuse der in 1a gezeigten Doppelstromturbine,
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2a schematisch in einer leicht angestellten Seitenansicht die abgasführende Struktur der beiden Fluten im Turbinengehäuse einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
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2b schematisch in einer angestellten Draufsicht die in 2a dargestellte abgasführende Struktur,
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2c schematisch in einem leicht angestellten Schnitt durch die Welle der Turbine die in den 2a und 2b dargestellte abgasführende Struktur, und
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2d schematisch in einer Seitenansicht den in 2c dargestellten Schnitt durch die abgasführende Struktur.
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Die 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik erörtert.
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2a zeigt schematisch in einer leicht angestellten Seitenansicht die abgasführende Struktur der beiden Fluten im Turbinengehäuse einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Im Folgenden werden die Unterschiede zu der in den 1a und 1b dargestellten Doppelstromturbine nach dem Stand der Technik beschrieben und erörtert, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf die 1a und 1b. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu einer Doppelstromturbine nach dem Stand der Technik verläuft bei der in 2a dargestellten Ausführungsform das freie Ende 5a einer die beiden Fluten 8, 9 voneinander trennenden Gehäusewandung 5 nicht parallel zur Welle 4 des Laufrades, sondern gegenüber der Welle 4 gekippt. 2b, welche die abgasführende Struktur der 2a in einer angestellten Draufsicht zeigt, ist dies deutlich erkennbar zu entnehmen.
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2c zeigt die in den 2a und 2b dargestellte abgasführende Struktur in einem leicht angestellten Schnitt durch die Welle der Turbine. 2d zeigt den in 2c dargestellten Schnitt durch die abgasführende Struktur in einer Seitenansicht.
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Das freie Ende 5a der die beiden Fluten 8, 9 voneinander trennenden Gehäusewandung 5 bildet mit einer Ebene E, die senkrecht zur Welle des Laufrades bzw. der Turbine verläuft, einen spitzen Winkel α ≈ 25°.
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Diese Anordnung bzw. dieser Verlauf des Endes 5a der Gehäusewandung 5 sorgt für eine zufriedenstellende Trennung der Fluten 8, 9. D. h. es sind weniger starke Unstetigkeiten am freien Ende 5a zu beobachten und es treten weniger Verluste über das freie Ende 5a hinweg auf. Einem ungewollten Massetransport zwischen den Fluten 8, 9 über das Laufrad hinweg wird effektiv entgegen gewirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweiflutige Turbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 3
- Laufrad
- 4
- Drehachse, Welle
- 5
- Gehäusewandung
- 5a
- freies Ende einer Fluten trennenden Gehäusewandung
- 6
- erste Gesamtabgasleitung
- 7
- zweite Gesamtabgasleitung
- 8
- erste Flut
- 8a
- Abgasstrom der ersten Flut
- 9
- zweite Flut
- 9a
- Abgasstrom der zweite Flut
- 10
- Doppelstromturbine, zweiflutige segmentierte Turbine
- α
- spitzer Winkel zwischen dem freien Ende einer Gehäusewandung und einer Ebene E senkrecht zur Welle der Turbine
- E
- Ebene senkrecht zur Welle der Turbine
