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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren führt ein gemeinsamer Abgassammler des Abgasstrangs, der die Auslasskanäle mit der Abgasturbine verbindet, zu einem sogenannten Übersprechen eines Auslassstoßes eines Abgas ausstoßenden Brennraums auf die übrigen Zylinder. Dies kann vor allem bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit erhöhter Last zu einer unerwünschten Beeinflussung des Betriebsverhaltens führen, da es zum Rückströmen von Abgas aus dem Abgassammler in die Brennräume kommen kann. Dies kann mit einer erhöhten Restgasrate in diesen Brennräumen und somit beispielsweise bei Ottomotoren mit einer erhöhten Klopfneigung und daraus folgend einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrads und des erzeugbaren Drehmomentes verbunden sein.
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Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader und getrennten Abgasfluten, die jeweils nur einen Teil der Brennräume mit der Abgasturbine des Abgasturboladers verbinden, hängt die Stärke des Übersprechens in einem erheblichen Maße von der Ausführung der Abgasturbine ab. Eine Segmentturbinen ermöglicht beispielsweise eine signifikante Reduzierung des Übersprechens im Vergleich zu einer Kombination einer einfachen Abgasflut mit einer konventionellen Abgasturbine, weil ein Zusammenführen der über die verschiedenen Abgasfluten geführten Abgasströme erst in den Turbinenlaufrädern der Segmentturbinen erfolgt, wobei die Abgasströme zudem in unterschiedlichen, in der Regel um 180° bezüglich der Rotationsachsen versetzten Umfangsabschnitten der Turbinenlaufräder in diese eingeleitet werden. Segmentturbinen bewirken jedoch bei einer Kombination mit getrennten Abgasfluten prinzipbedingt einen hohen Abgasgegendruck, da die in den einzelnen Auslasstakten aus den Brennräumen ausgeschobenen Abgasmengen jeweils nur einen Teil der von den Abgasfluten und der Abgasturbine insgesamt bereit gestellten Strömungsvolumina durchströmen. Aus hohen Abgasgegendrücken resultieren in der Regel hohe Ausschiebeverluste, erhöhte Restgasraten und dadurch bedingt erhöhte Klopfneigungen der Verbrennungsmotoren.
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Eine Verwendung getrennter Abgasfluten in Kombination mit einer TwinscroII-Turbine eines Abgasturboladers ermöglicht ebenfalls eine Reduzierung des Übersprechens zwischen den Brennräumen; dies jedoch in einem im Vergleich zu einer Segmentturbine geringeren Maße, weil bei TwinscroII-Abgasturboladern die separierten Abgasströme lediglich axial bezüglich der Rotationsachse des Turbinenlaufrads versetzt, gleichzeitig jedoch jeweils in der Regel über (annähernd) den vollen Umfangs des Turbinenlaufrads und folglich parallel in das Turbinenlaufrad eingeleitet werden. Da auch bei einer Kombination aus getrennten Abgasfluten und TwinscroII-Turbine die einzelnen Abgasströme nur einen Teil der von den Abgasfluten und der Abgasturbine (einlassseitig) insgesamt zur Verfügung gestellten Strömungsvolumina durchströmen, führt eine solche Kombination ebenfalls zu einem erhöhten Abgasgegendruck, der jedoch in der Regel etwas geringer als bei einer Segmentturbine ist.
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Es besteht die Möglichkeit, bei einer Brennkraftmaschine mit getrennten Abgasfluten und Segmentturbine den Abgasgegendruck in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors auf ein Maß zu reduzieren, das für TwinscroII-Turbinen typisch ist, indem eine Verbindungsleitung zwischen den Abgasfluten mittels eines dafür vorgesehenen Ventils bedarfsweise geöffnet wird. Die einzelnen Abgasströme können dann über den gesamten Umfang in das Turbinenlaufrad einströmen. Bei geöffneter Verbindungsleitung ist infolge einer relativ nah an den Auslasskanälen des Verbrennungsmotors liegenden fluidleitenden Verbindung zwischen den Abgasfluten das Übersprechen zwischen den Zylindern dann jedoch erheblich.
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In der
DE 10 2014 007 310 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem eine gerade Anzahl von Zylindern aufweisenden Verbrennungsmotor und mit einem Abgasstrang, in den eine Twinscroll- oder Segmentturbine integriert ist, offenbart. Jedem Zylinder ist eine erste, mittels eines Auslassventils verschließbare Auslassöffnung und eine zweite mittels eines Auslassventils verschließbare Auslassöffnung zugeordnet, wobei die zweiten Auslassöffnungen größer als die ersten Auslassöffnungen sind. Die ersten Auslassöffnungen einer ersten Hälfte der Zylinder und die zweiten Auslassöffnungen der zweiten Hälfte der Zylinder sind über eine erste Abgasflut des Abgasstrangs mit der Twinscroll- oder Segmentturbine verbunden, während die zweiten Auslassöffnungen der ersten Hälfte der Zylinder und die ersten Auslassöffnungen der zweiten Hälfte der Zylinder über eine zweite Abgasflut des Abgasstrangs mit der Twinscroll- oder Segmentturbine verbunden sind. In einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit relativ niedrigen Drehzahlen sollen entweder die ersten oder die zweiten Auslassöffnungen mittels der diesen zugeordneten Auslassventile ständig geschlossen gehalten werden.
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Aus der
WO 2014/195256 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen je Brennraum bekannt, bei der erste Auslasskanäle über eine erste Abgasflut und zweite Auslasskanäle über eine zweite Abgasflut mit einer Abgasturbine eines Abgasturboladers verbunden sind. Die zwei Abgasfluten sind mit geometrisch unterschiedlich ausgebildeten Abschnitten der Abgasturbine verbunden.
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In der
EP 2 620 631 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Auslassventilen je Brennraum beschrieben, bei der erste Auslasskanäle über eine erste Abgasflut mit einer Abgasturbine eines Abgasturboladers und zweite Auslasskanäle über eine zweite Abgasflut mit einem Bypass zu der Abgasturbine verbunden sind.
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Die
EP 2 119 888 A2 offenbart eine Bi-Turbo-Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und zwei Auslassventilen je Brennraum, wobei die einzelnen Auslassventile der Brennräume mit Phasenversatz betätigt werden. Dabei ist vorgesehen, dass die über jeweils erste Auslassventile der Brennräume verschließbaren Auslasskanäle über eine erste Abgasflut mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers und die über jeweils zweite Auslassventile der Brennräume verschließbaren Auslasskanäle über eine zweite Abgasflut mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden sind.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine anzugeben, bei der das Problem eines Übersprechens eines Auslassstoßes eines Abgas ausstoßenden Brennraums auf die übrigen Brennräume möglichst weitgehend eliminiert ist. Gleichzeitig soll ein möglichst geringer durch die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierte Abgasturbine des Abgasturboladers erzeugter Abgasgegendruck erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang und einer in den Abgasstrang integrierten Abgasturbine vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor mindestens zwei Brennräume ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile zugeordnet sind. Die Auslassventile sind mittels eines Ventiltriebs betätigbar. Jeweils ein erstes der Auslassventile der (aller) Brennräume steht über eine (für die ersten Auslassventile gemeinsame) erste Abgasflut und jeweils ein zweites der Auslassventile der (aller) Brennräume steht über eine (für die zweiten Auslassventile gemeinsame) zweite Abgasflut des Abgasstrangs mit der Abgasturbine in Abgas leitender Verbindung. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine dadurch, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser
- – die ersten Auslassventile und die zweiten Auslassventile mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die kleiner als der Zündabstand der Brennräume ist oder diesem maximal entspricht, und
- – das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil jedes Brennraums mit einem Phasensatz zueinander betätigt.
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Eine Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die zumindest einen Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang und eine in den Abgasstrang integrierte Abgasturbine umfasst, wobei der Verbrennungsmotor mindestens zwei Brennräume ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile zugeordnet sind, und wobei die Auslassventile mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind, wobei den Brennräumen zugeordnete erste Auslassventile über eine gemeinsame erste Abgasflut und den Brennräumen zugeordnete zweite Auslassventile über eine gemeinsame zweite Abgasflut des Abgasstrangs mit der Abgasturbine in Abgas leitender Verbindung stehen, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
- – die ersten Auslassventile und die zweiten Auslassventile mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt werden, die kleiner als der Zündabstand der Brennräume ist oder diesem maximal entspricht, und
- – das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil jedes Brennraums mit einem Phasenversatz zueinander betätigt werden.
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Sowohl bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als auch bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Phasenversatz so bemessen ist, dass sich die Ventilerhebungskurven der einem Brennraum zugeordneten Auslassventile noch überschneiden, insbesondere noch um mindestens 50% der jeweiligen Öffnungsdauer.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, jedem Brennraum des Verbrennungsmotors mindestens zwei Auslassventile zuzuordnen, wobei jeweils ein erstes Auslassventil und ein zweites Auslassventil der einzelnen Brennräume voneinander getrennten Abgasfluten zugeordnet sind, die möglichst weitgehend separiert geführt werden und insbesondere erst im Übergang in einen ein Turbinenlaufrad aufnehmenden Laufradraum der Abgasturbine wieder zusammengeführt werden. Durch die voneinander separierten Abgasfluten kann grundsätzlich ein Übersprechen eines Auslassstoßes eines Abgas ausstoßenden Brennraums auf die übrigen Brennräume gering gehalten werden. Da bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine jedoch sämtliche der Brennräume über zumindest ein Auslassventil mit jeder der Abgasfluten verbunden sind, wird die dadurch weiterhin bestehende Möglichkeit eines Übersprechens erfindungsgemäß dadurch gering gehalten, dass die Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile so kurz bemessen ist, dass ein Übersprechen zwischen den Brennräumen über alle jeweils einer Abgasflut zugeordneten Auslassventile weitgehend verhindert wird. Da die Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile dabei jedoch zu kurz ist, um ein weitgehend vollständiges Ausschieben des Abgases aus den einzelnen Brennräumen zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß weiterhin ein Phasenversatz für die Öffnungszeiten des ersten Auslassventils und des zweiten Auslassventils der einzelnen Brennräume vorgesehen, so dass sich durch die Kombination der phasenversetzten Öffnungszeiten der zwei Auslassventile für die einzelnen Brennräume insgesamt eine ausreichend lange Gesamtöffnungsdauer ergibt. Im Ergebnis wird somit infolge der ausreichend kurzen individuellen Öffnungsdauer der Auslassventile ein Übersprechen innerhalb der einzelnen Abgasfluten gering gehalten oder vermieden und durch die Separierung der Abgasfluten bis zu der Abgasturbine auch ein Übersprechen zwischen den über die Abgasfluten geführten Abgasströme, so dass insgesamt ein Übersprechen verhindert oder gering gehalten werden kann. Andererseits wird erfindungsgemäß das aus den einzelnen Brennräumen je Auslasstakts ausgeschobenen Abgases über beide von den zwei Abgasfluten zur Verfügung gestellten Strömungsvolumina zu der Abgasturbine geführt und dort in das Turbinenlaufrad eingeleitet, wodurch ein möglichst geringer durch die Abgasturbine bewirkter Abgasgegendruck erreicht werden kann.
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Die Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile ist erfindungsgemäß dann ausreichend kurz bemessen, um ein Übersprechen innerhalb der einzelnen Abgasfluten zu vermeiden, wenn diese kleiner als der (gleichmäßige) Zündabstand der Brennräume ist oder diesem maximal entspricht. Bei einer Abwandlung einer erfindungsgemäßer Brennkraftmaschine kann die Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile auch größer als der Zündabstand sein, wenn ein relevantes Übersprechen innerhalb der einzelnen Abgasfluten in Kauf genommen werden kann. Dabei gilt grundsätzlich, dass das Übersprechen umso geringer ausfällt, je näher die Öffnungsdauer an dem Zündabstand liegend bemessen ist.
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Als „Zündabstand“ wird der Winkelbereich, bezogen auf die Drehung einer Abtriebswelle und insbesondere einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, verstanden, der sich dadurch ergibt, dass der Drehwinkel der Abtriebswelle, den diese prinzipbedingt zwischen zwei gewollten Brennvorgängen in jedem der Brennräume durchführt, durch die Anzahl an Brennräumen dividiert wird. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor, bei dem die Erfindung besonders bevorzugt zur Anwendung kommen kann, beträgt der Drehwinkel der Kurbelwelle (Abtriebswelle), den diese prinzipbedingt zwischen zwei gewollten Brennvorgängen in jedem der Brennräume durchführt, 720°. Weist der Viertakt-Hubkolbenmotor beispielsweise vier Zylinder und damit auch vier Brennräume auf, beträgt der Zündabstand folglich 180°KW. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotors mit beispielsweise sechs Zylindern beziehungsweise Brennräumen beträgt der Zündabstand dagegen „nur“ 120°KW. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor mit beispielsweise drei Zylindern beziehungsweise Brennräumen beträgt der Zündabstand dagegen 240°KW.
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Üblicherweise wird für die Auslassventile von Viertakt-Hubkolbenmotoren jeweils eine Öffnungsdauer vorgesehen, die größer als 180°KW und regelmäßig bis zu 260°KW betragen kann. Daraus folgt, dass die Erfindung besonders bevorzugt bei einem Verbrennungsmotor und insbesondere Hubkolbenmotor zur Anwendung kommen kann, der mindestens vier und folglich insbesondere exakt vier, fünf, sechs, acht, zehn, zwölf oder sechzehn Brennräume aufweist, weil dann der Zündabstand prinzipbedingt so klein ist, dass dann grundsätzlich das Problem eines Übersprechens zwischen den Brennräumen relevant sein kann. Bei einem Verbrennungsmotor mit nur drei Brennräumen kann dagegen infolge des relativ großen Zündabstands ein Übersprechen an sich bereits relativ problemlos sein, wobei nicht ausgeschlossen ist, dass auch bei einem solchen Verbrennungsmotor eine erfindungsgemäße Ausgestaltung vorteilhaft sein kann.
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Als „Öffnungsdauer“ wird erfindungsgemäß die vollständige Öffnungsdauer verstanden, die sich daraus ergibt, dass ein Auslassventil mit dem Ziel eines Öffnens bewegt wird. Betrachtet man eine übliche Ventilerhebungskurve, so sollen daher auch die sehr flach ansteigenden beziehungsweise abfallenden Abschnitte zum Beginn und zum Ende der Ventilerhebungskurve umfasst sein.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann grundsätzlich weiterhin noch einen Frischgasstrang umfassen, mittels dessen den Brennräumen des Verbrennungsmotors Frischgas zugeführt werden kann. Das Frischgas kann dann in den Brennräumen oder bereits zuvor mit einem Kraftstoff vermischt werden, um ein zündfähiges Frischgas-Kraftstoff-Gemisch auszubilden. Der Verbrennungsmotor kann insbesondere aufgeladen sein und demnach einen in den Frischgasstrang integrierten Verdichter zu Verdichtung des Frischgases aufweisen. Der Verdichter und die Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können dabei insbesondere Komponenten eines Abgasturboladers sein, bei dem eine Rotation eines Turbinenlaufrads der Turbine direkt oder indirekt, insbesondere über eine Welle, auf ein Verdichterlaufrad des Verdichters übertragen wird, wobei diese Rotation des Verdichterlaufrads die Verdichtung des Frischgases bewirkt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Abgasturbine eine Segmentturbine oder eine Twinscroll-Turbine ist, weil diese infolge einer erst beim Übergang in den das Turbinenlaufrad aufnehmenden Laufradraum der Abgasturbine erfolgenden Zusammenführung der zwei Abgasfluten ein Übersprechen zwischen den über die Abgasfluten geführten Abgasströmen möglichst gering halten. Dabei kann die Verwendung einer Segmentturbine besonders bevorzugt vorgesehen sein, weil bei einer Segmentturbine im Vergleich zu einer Twinscroll-Turbine ein Einleiten der über die Abgasfluten geführten Abgasströme in zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig unterschiedlichen Umfangsabschnitten des Turbinenlaufrads erfolgt.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie in einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Phasenversatz zwischen 50°KW und 70°KW und besonders bevorzugt ca. 60°KW beträgt. Ein solcher Phasenversatz kann sich insbesondere bei einem Verbrennungsmotor, der vier Brennräume aufweist, als vorteilhaft zeigen, um trotz der vergleichsweise kurzen Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile infolge einer möglichst optimal bemessene Gesamtöffnungsdauer für die jedem Brennraum zugeordneten Auslassventile zu realisieren. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehr als vier Brennräumen kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Phasenversatz tendenziell größer gewählt wird als für eine Brennkraftmaschine mit vier Brennräumen, weil infolge der kürzeren Zündabstände auch die Öffnungsdauer der einzelnen Auslassventile tendenziell kürzer gewählt wird oder gewählt werden sollte.
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Für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann weiterhin bevorzugt eine Ausgestaltung derart vorgesehen sein, dass Abgasmassenströme, die je Auslasstakt für einen (jeden) Brennraum über die erste Abgasflut (infolge eines Öffnens der ersten Auslassventile) einerseits und die zweite Abgasflut (infolge eines Öffnens der zweiten Auslassventile) andererseits abgeführt werden, möglichst gleich sind. Dies kann sich zum einen hinsichtlich der Erzielung eines möglichst geringen Abgasgegendrucks vorteilhaft auswirken. Zum anderen kann sich dies besonders vorteilhaft bei einer Verwendung einer Segmentturbine als Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auswirken, da auf diese Weise radiale Wechsellasten für das Turbinenlaufrad der Segmentturbine vermeiden oder möglichst gering gehalten werden können. Solche radialen Wechselasten könnten nämlich bei über die verschiedenen Abgasfluten geführten ungleichen Abgasmassenströmen infolge des nur jeweils über einen Umfangsabschnitt erfolgenden Eintritts der Abgasmassenströme in das Turbinenlaufrad auftreten. Infolge des erfindungsgemäß für das Öffnen der Auslassventile der einzelnen Brennräume vorgesehenen Phasenversatzes kann das erreichen möglichst gleicher Abgasmassenströme eine unterschiedliche Auslegung der beiden Abgasfluten (einschließlich ihrer Mündungen in den Laufradraum der Abgasturbine) und/oder der Auslassventile sowie von durch diese bedarfsweise zu verschließenden Auslasskanälen des Verbrennungsmotors bedingen, weil tendenziell der Druck des Abgases in den Brennräumen beim Öffnen des zuerst öffnenden Auslassventils größer als beim Öffnen des anschließend öffnenden Auslassventils ist, was bei ansonsten vergleichbaren Randbedingungen zu einem erhöhten Abgasmassenstrom durch das zuerst geöffnete Auslassventil im Vergleich zu dem erst nachträglich geöffneten Auslassventil führen kann. Dabei wird der Begriff „Auslegung“ erfindungsgemäß breit verstanden und soll folglich nicht lediglich eine geometrische Dimensionierung umfassen. Beispielsweise für die Auslassventile soll darunter auch eine Auslegung der jeweiligen Öffnungsdauer und/oder des (maximalen) Öffnungshubs verstanden werden.
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Zur Erzielung möglichst gleicher Abgasmassenströme über die Abgasfluten kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Öffnungsdauer und/oder der Öffnungshub des ersten Auslassventils und des zweiten Auslassventils unterschiedlich sind und/oder die mittleren (d.h. die über die Längserstreckungen der Abgasfluten gemittelten) Strömungsquerschnitte und/oder die Längserstreckungen der Abgasfluten unterschiedlich sind und/oder die Umfangsabschnitte, über die die Abgasfluten Abgasströme in ein Turbinenlaufrad der Abgasturbine einleiten, unterschiedlich sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Auslegung derjenigen Abgasflut, die den zuerst öffnenden Auslassventilen zugeordnet ist, und/oder dieser zuerst öffnenden Auslassventile im Vergleich zu denjenigen, die anschließend öffnen, und/oder im Vergleich zu der diesen später öffnenden Auslassventilen zugeordneten Abgasflut hinsichtlich der Erzielung eines verringerten Abgasmassenstroms (infolge eines relativ großen Strömungswiderstands) ausgelegt ist/sind, um den relativ großen Druck des Abgases beim Öffnen dieser zuerst öffnenden Auslassventilen zu kompensieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor ein Ottomotor ist, weil sich bei einem solchen Ottomotor ein Übersprechen zwischen den Brennräumen und/oder ein erhöhter Abgasgegendruck besonders negativ auswirken können. Insbesondere kann ein ausgeprägtes Übersprechen und ein relativ großer Abgasgegendruck jeweils in einer erhöhten Restgasrate in den Brennräumen resultieren, die bei einem Ottomotor zu einer erhöhten Klopfneigung und daraus folgend, insbesondere weil dann übliche ein Klopfen verhindernde Maßnahmen, beispielsweise eine Spätverstellung des Zündwinkels, eingeleitet werden müssten, zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads sowie der von dem Ottomotor erzeugten Leistung führen können.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung; und
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2: in einem Diagramm beispielhafte Kurvenverläufe für die Ventilerhebungen (H) der Einlassventile und der Auslassventile sowie für die dadurch bewirkten Gasmassenströme (GMS) über dem Kurbelwellenwinkel.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem nach dem Otto-Prinzip betriebenen Verbrennungsmotor 10 (Ottomotor), der als Hubkolbenmotor mit vier Zylindern 12 ausgebildet ist. Die Zylinder 12 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben (nicht dargestellt) und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume 14, in denen im Betrieb der Brennkraftmaschine Frischgas (Luft) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird (Zündfolge 1-4-2-3). Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung 16 (Motorsteuerung), mittels Injektoren 18 direkt in die Brennräume 14 eingespritzt. Das Verbrennen des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs führt zu zyklischen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen der Kolben, die wiederum in bekannter Weise über nicht dargestellte Pleuel (nicht dargestellt) auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird. Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 10 über einen Frischgasstrang zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung aus der Umgebung angesaugt, in einem Luftfilter 20 gereinigt und anschließend in einen Verdichter 22, der Teil eines Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Verdichters 22 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 24 abgekühlt und mittels Einlassventilen 50 dosiert den Brennräumen 14 zugeführt. Der Antrieb des Verdichters 22 erfolgt mittels einer Abgasturbine 26 des Abgasturboladers, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in den Brennräumen 14 des Verbrennungsmotors 10 entstanden ist, wird über den Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 10 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 26. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads 28, das über eine Welle 30 drehfest mit einem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des Verdichters 22 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads 28 wird dadurch auf das Verdichterlaufrad übertragen.
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Stromab des Verdichters 22 ist in die Ladeluftstrecke, d.h. in den zwischen dem Verdichter 22 und dem Verbrennungsmotor 10 gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs, eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 16 ansteuerbare Regelklappe 32 (Drosselklappe) integriert.
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Bei der Abgasturbine 26 handelt es sich um eine so genannte Segmentturbine, deren Gehäuse 34 spiralförmig geführte und voneinander separierte Einlasskanäle 36 ausbilden, die jeweils radial außenseitig (bezüglich einer Rotationsachse 38 des Turbinenlaufrads 28) in einen das Turbinenlaufrad 28 aufnehmenden Laufradraum 40 der Abgasturbine 26, wobei die Mündungen der Einlasskanäle 36 jeweils einen Umfangsabschnitt von nahezu 180° des Laufradraums 40 und damit auch des darin drehbar gelagerten Turbinenlaufrads 28 überdecken und Mittelpunkte der Mündungen in einer Radialebene gelegen sind. Dabei sind die Umfangsabschnitte der Mündungen der Einlasskanäle 36 um 180° zueinander versetzt angeordnet, so dass diese zusammen im Wesentlichen den gesamten Umfang des Laufradraums 40 und damit auch des Turbinenlaufrads 28 überdecken.
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Jeder der Einlasskanäle 36 der Abgasturbine 26 stellt einen Abschnitt einer Abgasflut 42, 44 dar. Die Abgasfluten 42, 44 bilden einen Abschnitt des Abgasstrangs aus und verbinden die Brennräume 14 des Verbrennungsmotors 10 fluidleitend mit dem Laufradraum 40 der Abgasturbine 26, wobei eine erste Abgasflut 42 die Brennräume 14 über jeweils ein erstes Auslassventil 46 jedes Brennraums 14 mit einem der Einlasskanäle 36 und eine zweite Abgasflut 44 die Brennräume 14 über jeweils ein zweites Auslassventil 48 jedes Brennraums 14 mit dem anderen der Einlasskanäle 36 verbindet.
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Die Auslassventile 46, 48 ebenso wie die Einlassventile 50 können in bekannter Weise als Tellerventile ausgebildet sein, die federbelastet jeweils einen in dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotor 10 ausgebildeten Auslasskanal oder Einlasskanal verschließen, sofern diese nicht aktiv betätigt werden. Bei einer Betätigung werden diese dagegen gemäß einer vorgesehenen Ventilerhebungskurve 52, 54, 56 von dem jeweils dazugehörigen Ventilsitz des Auslass- oder Einlasskanals abgehoben, wodurch dieser temporär freigegeben wird. Eine Betätigung der Auslassventile 46, 48 und der Einlassventile 50 kann insbesondere in herkömmlicher Weise mittels einer oder mehrerer, insbesondere mittels zwei Nockenwellen eines Ventiltriebs erfolgen.
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Die 2 zeigt in einem Diagramm für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß der 1 beispielhafte Kurvenverläufe für die Ventilerhebungen (H) der Einlassventile 46, 48 und der Auslassventile 50, die für sämtliche der den verschiedenen Brennräumen 14 zugeordneten Gaswechselventile gleich sind, sowie für durch die Ventilerhebungen bewirkten Frischgas- und Abgasmassenströme (GMS) über dem relativen Drehwinkel der Kurbelwelle (°KW).
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Zu erkennen ist, dass die zwei Auslassventile 46, 48 (Ventilerhebungskurven 52, 54), die jedem der Brennräume 14 zugeordnet sind, jeweils mit einer Öffnungsdauer betätigt werden, die ca.180°KW beträgt, wobei die Öffnungszeiten der zwei einem Brennraum 14 zugeordneten Auslassventile 46, 48 zudem einen Phasenversatz von im vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 60°KW aufweisen. Durch eine Kombination der phasenversetzten Öffnungszeiten der jeweils einem Brennraum 14 zugeordneten Auslassventile 46, 48 wird eine Gesamtöffnungsdauer für diese erreicht, die für ein weitgehend vollständiges Ausschieben von Abgas aus den Brennräumen 14 erforderlich ist und in etwa der Öffnungsdauer der Einlassventile 50 (Ventilerhebungskurve 56) entspricht.
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Während durch den Phasenversatz der Öffnungszeiten der beiden Auslassventile 46, 48 jedes Brennraums 14 ein weitgehend vollständiges Ausschieben des Abgases aus den Brennräumen 14 gewährleistet wird, sorgt die fluidleitende Verbindung aller ersten, zuerst öffnenden Auslassventile 46 mit der ersten Abgasflut 42 sowie die fluidleitende Verbindung aller zweiten, später öffnenden Auslassventile 48 mit der zweiten Abgasflut 42 aufgrund der relativ kurzen (Einzel-)Öffnungsdauer der Auslassventile 46, 48 dafür, dass ein Übersprechen von Abgaspulsen innerhalb der beiden Abgasfluten 42, 44 wirkungsvoll unterdrückt wird. Da zudem die vollständig voneinander getrennten Abgasfluten 42, 44 eine Separierung der durch diese geführten Abgasströme bis zu deren Eintreten in das Turbinenlaufrad 28 bewirken und diese Abgasströme infolge der Ausgestaltung der Abgasturbine 26 als Segmentturbine zudem in unterschiedliche Umfangsabschnitte des Turbinenlaufrads 28 einströmen, wird auch ein Übersprechen von Abgaspulsen zwischen den zwei Abgasfluten 42, 44 vermieden, so dass insgesamt kein oder lediglich ein sehr geringes Übersprechen für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Gleichzeitig ist der von der Abgasturbine 26 erzeugte Abgasgegendruck vergleichsweise gering, weil durch die Öffnung beider Auslassventile 46, 48 jedes Brennraums 14 in jedem Auslasstakt im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 das dabei ausgeschobene Abgas die gesamten zur Verfügung stehenden Strömungsvolumina der beiden Abgasfluten 42, 44 sowie der Abgasturbine 26 durchströmen kann.
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Aus der 2 ist noch ersichtlich, dass beim Öffnen des jeweiligen ersten (zuerst öffnenden) Auslassventils 46 anfangs ein relativ hoher Abgasmassenstrom ausgestoßen wird (vgl. Verlauf 58 des über jeweils das erste Auslassventil 46 aus einem Brennraum 14 ausgestoßenen Abgasmassenstroms), der auf die dann noch relativ hohen Drücke in den Brennräumen zurückzuführen ist (Auslassstoß). Der Maximalwert des infolge eines Öffnens der jeweiligen zweiten (später öffnenden) Auslassventile 48 über die zweiten Auslasskanäle geführten Abgasmassenstrom (vgl. Verlauf 60 des über jeweils das zweite Auslassventil 48 aus einem Brennraum 14 ausgestoßenen Abgasmassenstroms) liegt dagegen infolge eines beim Öffnen des zweiten Auslassventils 48 bereit deutlich abgesenkten Druckniveaus in dem dazugehörigen Brennraum 14 deutlich unterhalb des Maximalwerts für den durch das Öffnen des ersten Auslassventils 46 bewirkten Abgasmassenstroms.
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Bei den gemäß der 2 beispielsweise vorgesehenen identischen (lediglich phasenversetzten) Ventilerhebungskurven 52, 54 könnte der Auslassstoß bei im Wesentlichen identischer Auslegung der beiden Abgasfluten 42, 44 dazu führen, dass im Mittel ein höherer Abgasmassenstrom je Auslasstakt eines Brennraums 14 über die erste Abgasflut 42 im Vergleich zu dem über die zweite Abgasflut 44 geführten gemittelten Abgasmassenstrom geführt wird. Dadurch kann sich eine ungleichmäßige radiale Belastung und infolge der zyklischen Wiederholung dieser ungleichmäßigen Belastung eine radiale Wechsellast für das Turbinenlaufrad 28 und insbesondere auch für dessen Drehlagerung in dem Gehäuse 34 ergeben, die sich negativ auf die zu erwartende Lebensdauer der Abgasturbine 26 auswirken kann. Um dies zu vermeiden kann vorgesehen sein, den mittleren Strömungsquerschnitt, den die erste Abgasflut 42 aufweist, kleiner als denjenigen der zweiten Abgasflut 44 zu dimensionieren, wodurch die erste Abgasflut 42 einen tendenziell höheren Strömungswiderstand als die zweite Abgasflut 44 bewirkt. Dadurch kann erreicht werden, dass etwas mehr Abgas über die zweiten, später öffnenden Auslassventile 48 ausgeschoben wird, als dies bei hinsichtlich des Strömungswiderstands identisch ausgebildeten Abgasfluten 42, 44 der Fall wäre. Dadurch kann insgesamt erreicht werden, dass die Abgasmassenströme, die über die beiden Abgasfluten 42, 44 geführt werden, im Wesentlichen gleich groß sind, wodurch radiale Wechsellasten für das Turbinenlaufrad 28 vermieden oder verringert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Brennraum
- 16
- Steuerungsvorrichtung
- 18
- Injektor
- 20
- Luftfilter
- 22
- Verdichter
- 24
- Ladeluftkühler
- 26
- Abgasturbine
- 28
- Turbinenlaufrad
- 30
- Welle der Abgasturbine
- 32
- Regelklappe
- 34
- Gehäuse der Abgasturbine
- 36
- Einlasskanal der Abgasturbine
- 38
- Rotationsachse des Turbinenlaufrads
- 40
- Laufradraum der Abgasturbine
- 42
- erste Abgasflut
- 44
- zweite Abgasflut
- 46
- erstes Auslassventil
- 48
- zweites Auslassventil
- 50
- Einlassventil
- 52
- Ventilerhebungskurve des ersten Auslassventils
- 54
- Ventilerhebungskurve des zweiten Auslassventils
- 56
- Ventilerhebungskurve der Einlassventile
- 58
- Verlauf des über das erste Auslassventil aus einem Brennraum ausgestoßenen Abgasmassenstroms
- 60
- Verlauf des über das zweite Auslassventil aus einem Brennraum ausgestoßenen Abgasmassenstroms
- 62
- Verlauf des über die Einlassventile insgesamt in einen Brennraum einströmenden Frischgasmassenstroms
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014007310 A1 [0006]
- WO 2014/195256 A1 [0007]
- EP 2620631 A1 [0008]
- EP 2119888 A2 [0009]
