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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennkraftmaschinensystems mit zwei Abgasturboladern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein solches Brennkraftmaschinensystem.
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Die Leistungssteigerung sowie Emissionsreduzierung von Brennkraftmaschinen spielen zentrale Rollen in der Entwicklung derselben. Bekannt ist es, in einem zugehörigen Brennkraftmaschinensystem einen Abgasturbolader einzusetzen, der ein vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenes Turbinenrad sowie ein vom Turbinenrad angetriebenes und die der Brennkraftmaschine zuzuführende Luft verdichtendes Verdichterrad aufweist. Bekannt sind auch Brennkraftmaschinensysteme, welche zwei derartige Abgasturbolader aufweisen, welche ein sogenanntes mehrstufiges Aufladen der Brennkraftmaschine erlauben. Dabei ist es möglich, die Turbinenräder sowie die Verdichterräder in verschiedenen Konstellationen in einer zugehörigen Abgasanlage bzw. Frischluftanlage vorzusehen.
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Werden sowohl die Turbinenräder als auch die Verdichterräder jeweils seriell in der Abgasanlage bzw. der Frischluftanlage angeordnet, ist hierdurch eine seriellsequentielle Anordnung des Abgasturboladers realisiert. Das zugehörige Aufladen der Brennkraftmaschine und somit Verdichten der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft wird dabei als seriell-sequentielles Aufladen bezeichnet.
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Werden sowohl die Turbinenräder als auch die Verdichterräder in der Abgasanlage bzw. der Frischluftanlage parallel angeordnet, wird von einer parallel-sequentiellen Anordnung gesprochen. Das mehrstufige Aufladen der Brennkraftmaschine wird dementsprechend als parallel-sequentielles Aufladen bezeichnet.
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Im Artikel „Gemischt-sequentielle Aufladung am Motor mit getrennten Auslassfluten und vollvariablem Ventiltrieb“ zur neunten MTZ-Fachtagung aus dem Jahr 2016 wird zudem eine sogenannte gemischt-sequentielle Anordnung beschrieben, bei der die Turbinenräder in der Abgasanlage parallel angeordnet sind, wogegen die Verdichterräder in der Frischluftanlage seriell angeordnet sind. Das entsprechende Aufladen der Brennkraftmaschine wird als gemischt-sequentielles Aufladen bezeichnet und beschrieben. Hierbei erfolgt eine getrennte Zuführung der in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgasmassen sowie des Abgasenthalpiestroms zu den Turbinenrädern. Hierzu sind den Zylindern der Brennkraftmaschine jeweils zwei Abgasventile zum Auslassen von Abgas aus dem zugehörigen Zylinder zugeordnet, wobei jeweils ein Abgasventil einem solchen Turbinenrad derart zugeordnet ist, dass beim Öffnen dieses Abgasventils Abgas zum zugehörigen Turbinenrad strömt.
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Zur Effizienzsteigerung sowie zum Ausschöpfen der Möglichkeiten des gemischt-sequentiellen Aufladens ist es wünschenswert, das gemischt-sequentielle Aufladen und somit das Aufteilen des Abgasmassenstroms und des Abgasenthalpiestroms kontinuierlich verändern zu können. Hierzu wird in besagtem Artikel eine Einrichtung zur vollvariablen Verstellung der Abgasventile beschrieben, mit der es möglich ist, den Abgasstrom bedarfsgerecht auf die Turbinenräder zu verteilen.
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Obwohl sich mit einem solchen Brennkraftmaschinensystem eine verbesserte Effizienz und reduzierte Emissionen erzielen lassen, benötigt das Integrieren der vollvariablen Verstellung der Abgasventile und der zugehörigen Einrichtung einen großen Bauraum. Zudem sind die zum Betreiben der vollvariablen Verstellung der Abgasventile benötigten Bestandteile innerhalb eines Zylinderkopfs der zugehörigen Brennkraftmaschine angeordnet, so dass der Zylinderkopf größer ausfällt und in der Folge insbesondere weniger steif ist. Darüber hinaus ist das Umsetzen der vollvariablen Verstellung der Abgasventile verhältnismäßig kompliziert.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennkraftmaschinensystems mit gemischtsequentiell angeordneten Abgasturboladern sowie für ein solches Brennkraftmaschinensystem verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Bauraum und/oder eine vereinfachte Steuerung auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Brennkraftmaschinensystem, das zwei Abgasturbolader aufweist, welche in einer gemischt-sequentiellen Anordnung angeordnet sind, ein gemischt-sequentielles Aufladen einer zugehörigen Brennkraftmaschine mittels einer variablen Turbinengeometrie mindestens einer der Abgasturbolader umzusetzen. Die gemischt-sequentielle Anordnung der Abgasturbolader heißt, dass Turbinenräder der Abgasturbolader in einer zugehörigen Abgasanlage des Brennkraftmaschinensystems parallel angeordnet sind, wogegen Verdichterräder der Abgasturbolader in einer Frischluftanlage des Brennkraftmaschinensystems seriell bzw. hintereinander angeordnet sind. Das gemischt-sequentielle Aufladen der Brennkraftmaschine umfasst das Aufteilen des in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgasmassenstroms und/oder Abgasenthalpiestroms auf die Turbinenräder. Dies erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie, welche kontinuierlich und stufenlos verstellbar ist. Die variable Turbinengeometrie erlaubt das kontinuierliche Aufteilen des Abgasmassenstroms und/oder des Abgasenthalpiestroms, so dass das Brennkraftmaschinensystem effizient und/oder emissionsreduziert und/oder bedarfsgerecht betrieben werden kann. Darüber hinaus benötigt die variable Turbinengeometrie einen vergleichsweise geringen Bauraum, insbesondere im Vergleich zu einer Einrichtung zum vollvariablen Verstellen von Abgasventilen, so dass der benötigte Bauraum reduziert wird. Zudem ist die variable Turbinengeometrie außerhalb eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine angeordnet. In der Folge kann der Zylinderkopf, insbesondere im Vergleich zum vollvariablen Verstellen von Abgasventilen, kleiner ausgebildet werden, so dass der Bauraum wiederum verringert wird. Die Verkleinerung des Zylinderkopfs führt ferner zu einer steiferen Ausbildung desselben, so dass sich wiederum Vorteile für den Betrieb der Brennkraftmaschine ergeben. Darüber hinaus lässt sich die variable Turbinengeometrie, insbesondere im Vergleich zu einer solchen Einrichtung zum vollvariablen Verstellen von Abgasventilen, einfach steuern, so dass das Umsetzen des gemischt-sequentiellen Aufladens vereinfacht wird. Das erfindungsgemäße Einsetzen der variablen Turbinengeometrie sowie deren Verwendung zum gemischt-sequentiellen Aufladen der Brennkraftmaschine führen also insgesamt zu einer erhöhten Effizienz und/oder einem reduzierten Bauraumbedarf und/oder einer vereinfachten Steuerung des Brennkraftmaschinensystems. Dem Erfindungsgedanken entsprechend wird zum Betreiben des Brennkraftmaschinensystems zunächst das Brennkraftmaschinensystem bereitgestellt. Dieses weist neben der Brennkraftmaschine, die zumindest einen Zylinder aufweist, in dem im Betrieb der Brennkraftmaschine Abgas entsteht, die beiden Abgasturbolader, nämlich einen ersten Abgasturbolader und einen zweiten Abgasturbolader, auf. Der erste Abgasturbolader weist ein erstes Turbinenrad und ein damit antriebsverbundenes erstes Verdichterrad auf, während der zweite Abgasturbolader ein zweites Turbinenrad und ein damit antriebsverbundenes zweites Verdichterrad aufweist. Die Frischluftanlage des Brennkraftmaschinensystems dient dem Zuführen von Frischluft zur Brennkraftmaschine bzw. zum zumindest einen Zylinder. Die Abgasanlage des Brennkraftmaschinensystems dient dem Abführen von Abgas von der Brennkraftmaschine bzw. von dem zumindest einen Zylinder. Dabei sind die Verdichterräder in der Frischluftanlage hintereinander bzw. seriell angeordnet, wogegen die Turbinenräder in der Abgasanlage parallel angeordnet sind. Somit ist die gemischt-sequentielle Anordnung der Abgasturbolader realisiert. Am jeweiligen Zylinder sind ein erstes Abgasventil sowie ein zweites Abgasventil vorgesehen. Mit dem ersten Abgasventil wird die Strömung von Abgas zum ersten Turbinenrad und mit dem zweiten Abgasventil die Strömung von Abgas zum zweiten Turbinenrad gesteuert. Erfindungsgemäß ist der zweite Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie versehen, welche zum gemischt-sequentiellen Aufladen der Brennkraftmaschine stufenlos bzw. variabel geschlossen und geöffnet wird. Die variable Turbinengeometrie ist also turbinenseitig des zweiten Abgasturboladers angeordnet, wobei sie zum Aufteilen des Abgasmassenstroms und/oder Abgasenthalpiestroms zwischen dem ersten Turbinenrad und dem zweiten Turbinenrad stufenlos geschlossen und geöffnet wird.
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Die serielle Anordnung der Verdichterräder bedeutet, dass diese stromab bzw. stromauf voneinander in der Frischluftanlage angeordnet sind. Die parallele Anordnung der Turbinenräder in der Abgasanlage bedeutet, dass diese in unterschiedlichen Strömungspfaden angeordnet sind, die getrennt voneinander verlaufen.
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Das Schließen und Öffnen der variablen Turbinengeometrie führt zu einer Verkleinerung bzw. einer Vergrößerung des für das Abgas durchströmbaren Querschnitts zum zugehörigen Turbinenrad und somit einer Änderung des Strömungsquerschnitts. In der Folge kann durch das Schließen und Öffnen der variablen Turbinengeometrie nicht nur Einfluss auf die Strömung von Abgas zum zugehörigen Turbinenrad, vorliegend zum zweiten Turbinenrad, genommen werden, insbesondere der Abgasmassenstrom sowie der Abgasenthalpiestrom zum zugehörigen Turbinenrad geändert werden. Die variable Turbinengeometrie erlaubt auch eine Änderung der Strömung von Abgas, insbesondere des Abgasmassenstroms sowie des Abgasenthalpiestroms, zum anderen Turbinenrad, vorliegend zum ersten Turbinenrad. Da das Schließen und Öffnen der variablen Turbinengeometrie zudem stufenlos bzw. kontinuierlich erfolgt, erfolgen auch besagte Änderungen der Abgasmassenströme und Abgasenthalpieströme stufenlos bzw. kontinuierlich. Das Vorsehen der variablen Turbinengeometrie an einem der Turbinenräder und das stufenlose bzw. kontinuierliche Verstellen der variablen Turbinengeometrie erlauben also insbesondere ein stufenloses bzw. kontinuierliches Aufteilen des insgesamt anfallenden Abgasmassenstroms und Abgasenthalpiestroms zwischen dem ersten Turbinenrad und dem zweiten Turbinenrad. Diese stufenlosen bzw. kontinuierlichen Änderungen und/oder diese stufenlose bzw. kontinuierliche Aufteilung werden/wird dabei zum gemischt-sequentiellen Aufladen der Brennkraftmaschine verwendet.
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Die variable Turbinengeometrie wird vorzugsweise zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung stufenlos verstellt und somit geschlossen und geöffnet. Die Offenstellung der variablen Turbinengeometrie stellt einen maximalen Strömungsquerschnitt für das Abgas zur Verfügung. Das heißt, dass der durch die variable Turbinengeometrie bereitgestellte Strömungsquerschnitt zum zweiten Turbinenrad in der Offenstellung der variablen Turbinengeometrie einen maximalen Wert annimmt. Dabei kann eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Offenstellung der variablen Turbinengeometrie reduziert, insbesondere minimiert, sein. In der Schließstellung der variablen Turbinengeometrie wird demgegenüber ein minimaler Strömungsquerschnitt für das Abgas zur Verfügung gestellt. Der minimale Strömungsquerschnitt ist hierbei insbesondere ungleich null. Das heißt, dass die geschlossene Stellung der variablen Turbinengeometrie nicht bedeutet, dass die variable Turbinengeometrie keine Strömung des Abgases zum zweiten Turbinenrad zulässt.
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Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das jeweilige zweite Abgasventil zum gemischt-sequentiellen Aufladen in Stufen zwischen einer Minimalstufe, in der ein minimaler Abgasmassenstrom zum zweiten Turbinenrad strömt, und einer Maximalstufe, in der ein maximaler Abgasmassenstrom des Abgases zum zweiten Turbinenrad strömt, verstellt wird. Durch das stufenweise Verstellen des jeweiligen zweiten Abgasventils kann auf ein aufwendiges, aus dem Stand der Technik bekanntes vollvariables Verstellen des jeweiligen Abgasventils und der zugehörigen Einrichtung, insbesondere auf eine sogenannte Valvetronic®, verzichtet werden. Dies liegt auch daran, dass eine kontinuierliche bzw. stufenlose Regelung der Abgasmassenströme mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie realisiert ist. Anstelle der umständlichen und einen großen Bauraum beanspruchenden vollvariablen Verstellung der Abgasventile werden also ein vereinfachtes gestuftes Verstellen der Abgasventile und das stufenlose bzw. kontinuierliche Verstellen der variablen Turbinengeometrie zum gemischt-sequentiellen Aufladen der Brennkraftmaschine verwendet. Folglich kann der benötigte Bauraum weiter reduziert und/oder das Steuern des Brennkraftmaschinensystems weiter vereinfacht werden. Bevorzugt ist es, wenn auch die ersten Abgasventile in Stufen, insbesondere zwischen einer Minimalstufe und einer Maximalstufe, verstellt werden. In Stufen bedeutet dabei, dass es zwischen der Minimalstufe und der Maximalstufe keine diskreten Stufen gibt. Das heißt, dass es zwischen der Minimalstufe und der Maximalstufe keinen dauerhaften Zustand des jeweiligen Abgasventils gibt, bzw., dass jeder Zustand zwischen den Stufen lediglich beim Verstellen zwischen den Stufen temporär durchlaufen wird. Vorstellbar ist es dabei, dass es zwischen der Minimalstufe und der Maximalstufe auch weitere Stufen gibt, wobei wiederum zwischen benachbarten Stufen kein dauerhafter Zustand existiert.
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Es ist klar, dass das jeweilige Abgasventil im Arbeitszyklus des zugehörigen Zylinders geschlossen und geöffnet werden kann. Die Minimalstufe bzw. die Maximalstufe beziehen sich vorliegend auf Zustände während des Arbeitszyklus, in denen Abgas aus dem Zylinder ausgelassen wird.
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Die Minimalstufe sowie die Maximalstufe des jeweiligen Abgasventils können Hubzustände des entsprechenden Abgasventils sein. Die Maximalstufe kann dabei in der Brennkraftmaschine, insbesondere im zugehörigen Zylinder, einen maximalen Strömungsquerschnitt für das aus dem zugehörigen Zylinder strömende Abgas zur Verfügung stellen, wogegen die Minimalstufe einen minimalen Strömungsquerschnitt für das aus dem zugehörigen Zylinder strömende Abgas zur Verfügung stellen, insbesondere diesen Strömungsquerschnitt gänzlich schließen, kann. Bevorzugt sind jedoch Varianten, bei denen die Minimalstufe einen minimalen Strömungsquerschnitt freigibt, so dass ein minimaler Abgasmassenstrom in Richtung des zweiten Turbinenrads strömen kann. Dies verhindert, dass es im zweiten Abgasturbolader zu Beschädigungen, insbesondere zu Beschädigungen einer Lagerung, beispielsweise einer Gleitlagerung, kommt.
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Die stufenweise Verstellung des jeweiligen zweiten Abgasventils kann insbesondere elektrisch, insbesondere ein gestuft verstellbarer Elektromotor und/oder pneumatisch erfolgen.
Die Brennkraftmaschine ist für den Betrieb zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl ausgelegt. Wenn nachfolgend von niedrigen Drehzahlen die Rede ist, so sind damit die niedrigsten 20% - 45 % des gesamten Drehzahlbereichs gemeint, wogegen hohe Drehzahlen die höchsten 55 % - 80 % des gesamten Drehzahlbereichs bedeuten. Zwischen den niedrigen Drehzahlen und den hohen Drehzahlen wird die Brennkraftmaschine in mittleren Drehzahlen betrieben.
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Bevorzugt sind Varianten, bei denen bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine das zumindest eine zweite Abgasventil gestuft in die Minimalstufe verstellt und die variable Turbinengeometrie stufenlos geschlossen wird. Somit strömt das in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas im Wesentlichen gänzlich zum ersten Turbinenrad und/oder wird der Abgasmassenstrom zum ersten Turbinenrad maximiert. In der Folge erfolgt das Aufladen der Brennkraftmaschine im Wesentlichen durch den ersten Abgasturbolader. Bevorzugt ist es zudem, wenn das zumindest eine erste Abgasventil, insbesondere das zugehörige erste Abgasventil, vor dem zumindest einen zweiten Abgasventil geöffnet wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zweite Abgasventil geöffnet wird, wenn das erste Abgasventil einen vorgegebenen Öffnungsgrad, beispielsweise 1 mm, erreicht hat.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen bei einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, während dem die Brennkraftmaschine ein Drehmoment abgibt bzw. an dem ein Drehmoment abgegriffen wird, das unterhalb des beim entsprechenden Drehzahl bzw. Drehzahlbereich maximal möglichen Drehmoments liegt, das zumindest eine zweite Abgasventil gestuft in die Maximalstufe verstellt wird und die Frischluft wahlweise durch das erste Verdichterrad und/oder durch das zweite Verdichterrad verdichtet wird. Somit ist es möglich, die Brennkraftmaschine mit reduzierten Ladungswechselverlusten zu betreiben. Dabei kann die variabel Turbinengeometrie geringfügig bis zum unteren mittleren Bereich, beispielsweise zwischen 5% und 25%, geöffnet werden. Bevorzugt ist es, wenn die Frischluft durch das erste Verdichterrad oder das zweite Verdichterrad verdichtet wird. Wird die Frischluft durch das erste Verdichterrad und somit durch den ersten Abgasturbolader verdichtet, wird auch das zumindest eine erste Abgasventil in die Maximalstufe verstellt.
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Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen bei mittleren Drehzahlen der Brennkraftmaschine das zumindest eine zweite Abgasventil gestuft in die Maximalstufe verstellt wird und die Frischluft durch das erste Verdichterrad und das zweite Verdichterrad verdichtet wird. Hierbei wird vorzugsweise auch das zumindest eine erste Abgasventil in die Maximalstufe verstellt. Bevorzugt ist es dabei, wenn die variable Turbinengeometrie geschlossen wird, wobei es auch vorstellbar ist, sie bis zu 25% zu öffnen.
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Es versteht sich, dass neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein derartig betriebenes Brennkraftmaschinensystem zum Umfang dieser Erfindung gehört. Das Brennkraftmaschinensystem weist hierzu eine Steuereinrichtung auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie das Brennkraftmaschinensystem entsprechend betreibt.
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Das Brennkraftmaschinensystem weist vorzugsweise eine solche Abgasanlage auf, die einen ersten Abgaszweig und einen vom ersten Abgaszweig unterschiedlichen, insbesondere davon getrennten, zweiten Abgaszweig aufweist. Dabei ist das erste Turbinenrad im ersten Abgaszweig angeordnet, wogegen das zweite Turbinenrad im zweiten Abgaszweig angeordnet ist. Der erste Abgaszweig und der zweite Abgaszweig sind jeweils mit dem zumindest einen Zylinder fluidisch verbunden, wobei mit dem jeweiligen ersten Abgasventil die Strömung von Abgas in den ersten Abgaszweig und mit dem jeweiligen zweiten Abgasventil die Strömung von Abgas in den zweiten Abgaszweig gesteuert wird.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der erste Abgasturbolader ein Hochdruckturbolader ist, wogegen der zweite Abgasturbolader ein Niederdruckturbolader ist. Hierbei ist das zweite Verdichterrad in der Frischluftanlage stromauf des ersten Verdichterrads angeordnet. Der Hochdruckturbolader unterscheidet sich von dem Niederdruckturbolader insbesondere dadurch, dass das zugehörige Verdichterrad stromab des anderen Verdichterrads angeordnet ist.
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Bevorzugt ist es, wenn das erste Turbinenrad und das erste Verdichterrad kleiner sind als das zweite Turbinenrad und das zweite Verdichterrad. Dies führt dazu, dass der erste Abgasturbolader reaktionsschneller ist bzw. eine kleinere Latenz aufweist, als der zweite Abgasturbolader. Das heißt, dass mit dem ersten Abgasturbolader, insbesondere mit dem Hochdruckturbolader, ein schnelleres Aufladen der Brennkraftmaschine erzielt werden kann als mit dem zweiten Abgasturbolader, insbesondere mit dem Niederdruckturbolader. Demgegenüber kann der zweite Abgasturbolader, insbesondere der Niederdruckturbolader, eine höhere Verdichtungsrate der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Luft erreichen als der erste Abgasturbolader, insbesondere der Hochdruckturbolader. Somit ist es möglich, im jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine ein bedarfsgerechtes Aufladen zu ermöglichen und umzusetzen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist zumindest ein solches erstes Abgasventil, insbesondere das jeweilige erste Abgasventil, eine andere Größe auf als zumindest ein solches zweites Abgasventil, vorzugsweise als das jeweilige zweite Abgasventil. Insbesondere ist das jeweilige erste Abgasventil kleiner als das jeweilige zweite Abgasventil. Dies führt dazu, dass der Abgasmassenstrom zum einen der Turbinenräder im Vergleich zum anderen Turbinenrad nach oben beschränkter ist. Ist beispielsweise das erste Abgasventil kleiner als das zweite Abgasventil, ist der maximal mögliche Abgasmassenstrom zum ersten Turbinenrad kleiner als der maximal mögliche Abgasmassenstrom zum zweiten Turbinenrad. Somit kann ein unsymmetrisches Aufteilen des gesamten Abgasmassenstroms zwischen dem ersten Turbinenrad und dem zweiten Turbinenrad realisiert werden. In der Folge kommt es zu einer Effizienzsteigerung des Brennkraftmaschinensystems. Insbesondere die kleinere Ausbildung des zumindest einen ersten Abgasventils führt zu einem kleineren durchströmbaren Querschnitt für das Abgas, so dass das Ansprechverhalten des ersten Turbinenrads und folglich des ersten Abgasturboladers, insbesondere des Hochdruckturboladers, verbessert wird. Diese Verbesserung kann durch eine kleinere Strömungsquerschnittdimensionierung des ersten Abgaszweigs gesteigert werden. Zudem wird somit die Regelbarkeit der variablen Turbinengeometrie verbessert.
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Die unterschiedlichen Größen der Abgasventile können dadurch realisiert sein, dass ein mit einer zugehörigen Auslassöffnung des Zylinders zusammenwirkendes Ventilelement, insbesondere ein Ventilteller, des zumindest einen solchen ersten Abgasventils eine andere Größe aufweist, insbesondere kleiner ist, als das entsprechende Ventilelement, insbesondere der Ventilteller, des zumindest einen solchen zweiten Abgasventils.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Frischluftanlage einen Frischluftbypass aufweist, der das Vorbeiführen der durch die Frischluftanlage strömenden Luft an einem der Verdichterräder, insbesondere am ersten Verdichterrad, erlaubt. Das heißt, dass mit dem Frischluftbypass eins der Verdichterräder, insbesondere das erste Verdichterrad, umgangen werden kann. Bevorzugt ist es, wenn zudem ein Ventil zum Steuern der Strömung durch den Frischluftbypass vorgesehen ist. Dies erlaubt ein bedarfsgerechteres und/oder variableres Aufladen der Brennkraftmaschine.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine Strömungsstrecke des ersten Abgaszweigs von dem zumindest einen Zylinder bis zum ersten Turbinenrad kürzer als eine Strömungsstrecke des zweiten Abgaszweigs von dem zumindest einen Zylinder bis zum zweiten Turbinenrad. Das heißt, dass das erste Turbinenrad näher am zumindest einen Zylinder angeordnet ist als das zweite Turbinenrad. In der Folge gibt es weniger Verluste, insbesondere Enthalpieverluste, des dem ersten Turbinenrad zugeführten Abgases. Dies lässt sich insbesondere vorteilhaft nutzen, wenn der erste Abgasturbolader ein solcher Hochdruckturbolader ist. Zudem führt dies dazu, dass das zweite Turbinenrad weiter vom Zylinder entfernt ist. In der Folge ist die variable Turbinengeometrie niedrigeren thermischen Belastungen ausgesetzt, so dass sie kostengünstiger hergestellt werden kann und/oder eine erhöhte Lebensdauer der variablen Turbinengeometrie erzielt wird.
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Die variable Turbinengeometrie kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Vorstellbar ist es, die variable Turbinengeometrie mit Leitschaufeln zu versehen, welche das zweite Turbinenrad umgeben und zum Schließen und Öffnen der variablen Turbinengeometrie stufenlos bzw. kontinuierlich verstellt werden. Ebenso kann die variable Turbinengeometrie als eine sogenannte Schieber - Geometrie ausgestaltet sein, die einen Schieber, der als eine Hülse ausgebildet sein kann, aufweist, wobei der Schieber zum Verändern des durchströmbaren Querschnitts, insbesondere axial, verstellt wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Figurenliste
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- 1 bis 3 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennkraftmaschinensystems in jeweils unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Ein Brennkraftmaschinensystem 1, wie es in den 1 bis 3 zu sehen ist, umfasst eine Brennkraftmaschine 2, die zumindest einen Zylinder 3 aufweist, wobei im jeweiligen Zylinder 3 ein nicht gezeigter Kolben hubverstellbar angeordnet ist. In den 1 bis 3 weist die jeweilige Brennkraftmaschine 2 rein beispielhaft zwei solche Zylinder 3 auf. Im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 wird den Zylindern 3 mit Hilfe einer Frischluftanlage 4 Frischluft zugeführt. Dabei entsteht in den Zylindern 3 durch einen Verbrennungsprozess Abgas, das über eine Abgasanlage 5 aus den Zylindern 3 abgeführt wird. Das Brennkraftmaschinensystem 1 weist einen ersten Abgasturbolader 6 mit einem ersten Turbinenrad 7 und einem ersten Verdichterrad 8 auf, das, beispielsweise über eine Welle 9, mit dem ersten Turbinenrad 7 antriebsverbunden ist. Zudem ist ein zweiter Abgasturbolader 10 vorgesehen, der ein zweites Turbinenrad 11 und ein zweites Verdichterrad 12 aufweist, das, beispielsweise über eine Welle 9, mit dem zweiten Turbinenrad 11 antriebsverbunden ist. Das erste Verdichterrad 8 und das zweite Verdichterrad 12 sind in der Frischluftanlage 4 hintereinander bzw. seriell angeordnet, wobei im gezeigten Beispiel das zweite Verdichterrad 12 stromauf des ersten Verdichterrads 8 in der Frischluftanlage 4 angeordnet ist. Dementsprechend ist der erste Abgasturbolader 6 ein Hochdruckturbolader 13, während der zweite Abgasturbolader 10 ein Niederdruckturbolader 14 ist. Die Frischluftanlage 4 weist ferner einen Frischluftbypass 15 auf, der zwischen dem ersten Verdichterrad 8 und dem zweiten Verdichterrad 12 abzweigt und stromab des ersten Verdichterrads 8 in die Frischluftanlage 4 mündet und somit das erste Verdichterrad 8 umgeht. Im Frischluftbypass 15 ist ein Ventil 16 zum Steuern der Strömung von Luft durch den Frischluftbypass 15 vorgesehen, das nachfolgend auch als Bypassventil 16 bezeichnet wird. Stromab beider Verdichterräder 8, 12 ist in der Frischluftanlage 4 ein Kühler 17 zum Kühlen der durch das jeweilige Verdichterrad 8, 12 verdichteten Luft angeordnet. Die durch das jeweilige Verdichterrad 8, 12 verdichtete Luft wird der Brennkraftmaschine 2 bzw. den Zylindern 3 zugeführt und die Brennkraftmaschine 2 somit aufgeladen. Zum Steuern der Strömung von Frischluft in die Zylinder 3 ist ein Drosselventil 18 vorgesehen, das im gezeigten Beispiel stromab des Kühlers 17 angeordnet ist.
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Der jeweilige Zylinder 3 weist einen ersten Abgasauslass 19 und einen zweiten Abgasauslass 20 auf. Die ersten Abgasauslässe 19 münden in einen ersten Abgaszweig 21 der Abgasanlage, wogegen die zweiten Abgasauslässe 20 in einen vom ersten Abgaszweig 21 unterschiedlichen zweiten Abgaszweig 22 der Abgasanlage 5 münden, der zum besseren Verständnis gestrichelt dargestellt ist. Das erste Verdichterrad 7 des ersten Abgasturboladers 6 ist im ersten Abgaszweig 21 angeordnet, derart, dass aus dem jeweiligen ersten Abgasauslass 19 strömendes Abgas über den ersten Abgaszweig 21 zum ersten Turbinenrad 7 strömt und dieses somit antreibt, wobei das erste Turbinenrad 7 wiederum das erste Verdichterrad 8 zum Verdichten der Luft antreibt. Demgegenüber ist das zweite Turbinenrad 11 des zweiten Abgasturboladers 10 im zweiten Abgaszweig 22 angeordnet, derart, dass aus dem jeweiligen zweiten Abgasauslass 20 strömendes Abgas zum zweiten Turbinenrad 11 strömt und dieses antreibt, wobei das zweite Turbinenrad 11 wiederum das zweite Verdichterrad 12 antreibt und somit die Luft in der Frischluftanlage 4 verdichtet. Der erste Abgaszweig 21 mündet stromab des zweiten Turbinenrads 11 in den zweiten Abgaszweig 22. Am jeweiligen Zylinder 3 ist ein erstes Abgasventil 23 und ein zweites Abgasventil 24 vorgesehen, wobei das jeweilige erste Abgasventil 23 den ersten Abgasauslass 19 des Zylinders freigibt und verschließt, wogegen das jeweilige zweite Abgasventil 24 den zweiten Abgasauslass 20 des zugehörigen Zylinders 3 freigibt und verschließt. Das jeweilige Abgasventil 23 steuert somit die Strömung von Abgas durch den ersten Abgaszweig 21 und somit zum ersten Turbinenrad 7, während das jeweilige zweite Abgasventil 24 die Strömung von Abgas durch den zweiten Abgaszweig 22 und somit zum zweiten Turbinenrad 11 steuert. Das jeweilige Abgasventil 23, 24 ist dabei in Stufen zwischen einer Minimalstufe, in der ein minimaler Volumenstrom des Abgases bzw. Abgasmassenstrom durch den zugehörigen Abgasauslass 19, 20 strömt, und einer Maximalstufe, in der ein maximaler Volumenstrom des Abgases bzw. Abgasmassenstrom durch den zugehörigen Abgasauslass 19, 20 strömt, verstellbar. Das heißt, dass zwischen den Stufen keine dauerhaften Zustände des jeweiligen Abgasventils 23, 24 vorhanden sind.
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In den 1 bis 3 ist ferner angedeutet, dass das jeweilige erste Abgasventil 23 kleiner ist als das jeweilige zweite Abgasventil 24. Entsprechendes gilt für die Abgasauslässe 19, 20, wobei der jeweilige erste Abgasauslass 19 einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als der jeweilige zweite Abgasauslass 20.
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Durch die Anordnung des ersten Turbinenrads 7 im ersten Abgaszweig 21 und des zweiten Turbinenrads 11 im zweiten Abgaszweig 22 sind die Turbinenräder 7, 11 in der Abgasanlage 5 parallel angeordnet. Durch die parallele Anordnung der Turbinenräder 7, 11 und die serielle Anordnung der Verdichterräder 8, 12 ist eine gemischt-sequentielle Anordnung der Abgasturbolader 6, 10 realisiert. Im gezeigten Beispiel ist ferner das erste Turbinenrad 7 kleiner ist als das zweite Turbinenrad 11. Zudem ist das erste Verdichterrad 8 kleiner als das zweite Verdichterrad 12.
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Erfindungsgemäß weist der zweite Abgasturbolader 10 eine variable Turbinengeometrie 25 auf, mit der eine Strömung des Abgases zum zweiten Turbinenrad 11 und somit ein Aufteilen des in den Zylindern 7 entstehenden Abgasmassenstroms und/oder Abgasenthalpiestroms zwischen den Abgaszweigen 21, 22 und den Turbinenrädern 7, 11 kontinuierlich verändert werden kann. Zudem kann über die Abgasventile 23, 24 der Abgasmassenstrom und/oder der Abgasenthalpiestrom gestuft geändert und somit auf die Abgaszweige 21, 22 und die Turbinenräder 7, 11 aufgeteilt werden.
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Die Minimalstufe und die Maximalstufe des jeweiligen Abgasventils 23, 24 beziehen sich dabei auf den Öffnungsgrad des jeweiligen Abgasventils 23, 24, insbesondere auf einen Hubzustand des jeweiligen Abgasventils 23, 24, zum Auslassen von Abgas aus dem zugehörigen Zylinder 3. In der jeweiligen Minimalstufe strömt also ein minimaler Volumenstrom des Abgases bzw. Abgasmassenstrom in den zugehörigen Abgaszweig 21, 22 und somit zum zugehörigen Turbinenrad 7, 11. Dieser minimale Abgasmassenstrom kann prinzipiell null sein, das heißt das zugehörige Abgasventil 23, 24 vollständig geschlossen sein bzw. den zugehörigen Abgasauslass 19, 20 gänzlich schließen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn in der jeweiligen Minimalstufe der zugehörige Abgasauslass 19, 20 minimal freigegeben wird, so dass Abgas in den zugehörigen Abgaszweig 21, 22 strömen kann.
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Mit der gemischt-sequentiellen Anordnung der Abgasturbolader 6, 10 lässt sich ein gemischt-sequentielles Aufladen der Brennkraftmaschine 2 realisieren. Hierzu wird die variable Turbinengeometrie 25 erfindungsgemäß kontinuierlich bzw. stufenlos geschlossen und geöffnet. Das heißt, dass die variable Turbinengeometrie 25 stufenlos bzw. kontinuierlich zwischen einer Offenstellung, in der ein maximaler Strömungsquerschnitt freigegeben wird, und einer Schließstellung, in der ein minimaler Strömungsquerschnitt freigegeben wird, verstellt wird. Zum gemischt-sequentiellen Aufladen der Brennkraftmaschine 2 ist eine Steuereinrichtung 26 vorgesehen, die durch geeignete Verbindungen 27 mit der variablen Turbinengeometrie 25 und dem jeweiligen Abgasventil 23, 24 derart verbunden ist, dass die Steuereinrichtung 26 die variable Turbinengeometrie 25 kontinuierlich bzw. stufenlos und die Abgasventile 23, 24 gestuft verstellen kann. Die Steuereinrichtung 26 ist zudem mit dem Bypassventil 16 und dem Drosselventil 18 der Frischluftanlage 4 verbunden und kann diese jeweils verstellen.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist zum Betreiben zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl ausgelegt, wobei die untersten 45% des gesamten Drehzahlbereichs niedrige Drehzahlen darstellen, wogegen die höchsten 55% des gesamten Drehzahlbereichs hohe Drehzahlen darstellen. Zwischen den niedrigen Drehzahlen und den hohen Drehzahlen wird die Brennkraftmaschine 2 bei mittleren Drehzahlen betrieben.
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1 zeigt einen Zustand des Brennkraftmaschinensystems 1, in dem die Brennkraftmaschine 2 bei niedrigen Drehzahlen betrieben wird. In diesem Zustand kann die Steuereinrichtung 26 das Bypassventil 16 schließen. Zudem werden die zweiten Abgasventile 24 gestuft in die Minimalstufe verstellt, so dass ein minimaler Anteil des Abgasmassenstroms in den zweiten Abgaszweig 22 strömt. Ferner wird die variable Turbinengeometrie 7 kontinuierlich in die Schließstellung verstellt. Zudem wird das jeweilige zweite Abgasventil 23 gestuft in die Maximalstufe verstellt. In der Folge strömt das entstehende Abgas im Wesentlichen in den ersten Abgaszweig 21 und somit zum ersten Turbinenrad 7. Die Strömung des Abgases ist dabei mit Hilfe von Pfeilen 29 angedeutet, während die Strömung der Luft durch die Frischluftanlage 4 durch Pfeile 29 angedeutet ist. Es wird also im Wesentlichen lediglich das erste Turbinenrad 7 angetrieben, so dass das Aufladen der Luft im Wesentlichen ausschließlich über das erste Verdichterrad 8 und somit über den ersten Abgasturbolader 6 erfolgt. Durch die im Prinzip vernachlässigbare Strömung von Abgas durch den zweiten Abgaszweig 22 erfolgt über den zweiten Abgasturbolader 10 praktisch kein Verdichten der der Brennkraftmaschine 2 zuzuführenden Luft.
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2 zeigt einen Zustand, in dem die Brennkraftmaschine 2 bei Teillast betrieben wird. Das heiß, die Brennkraftmaschine 2 gibt ein Drehmoment ab bzw. wird an der Brennkraftmaschine 2 ein Drehmoment abgegriffen, das unterhalb des beim entsprechenden Drehzahl bzw. Drehzahlbereich maximal möglichen Drehmoments liegt.. In diesem Zustand werden die ersten Abgasventile 23 und die zweiten Abgasventile 24 gestuft in die Maximalstufe verstellt, so dass das entstehende Abgas 23 sowohl in den ersten Abgaszweig 21 als auch in den zweiten Abgaszweig 22 strömt. Dementsprechend werden das erste Turbinenrad 7 und das zweite Turbinenrad 11 angetrieben, so dass sowohl das erste Verdichterrad 8 als auch das zweite Verdichterrad 12 zum Verdichten der Luft zum Einsatz kommen können. Durch das Verstellen des Bypassventils 16 kann dabei das Aufladen der Brennkraftmaschine 2 und somit das Verdichten der Luft gesteuert werden. Bleibt das Bypassventil 16 geschlossen, wird die Luft sowohl durch den ersten Abgasturbolader 6 als auch durch den zweiten Abgasturbolader 10 und somit sowohl vom Niederdruckturbolader 14 als auch vom Hochdruckturbolader 13 verdichtet. Je weiter das Bypassventil 16 geöffnet wird, desto höher ist der Anteil der Luft, der am ersten Verdichterrad 8 vorbeigeführt wird, so dass der Gesamtgrad der Verdichtung reduziert wird. Dieses mögliche Vorbeiführen der Luft am ersten Verdichterrad 8 ist durch eine gestrichelt Darstellung der Pfeile 29 angedeutet. In diesem Zustand wird die variable Turbinengeometrie 25 kontinuierlich geschlossen, wobei es auch vorstellbar ist, die variable Turbinengeometrie 25 bis zu 25 % geöffnet zu halten.
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In 3 ist das Brennkraftmaschinensystem 1 in einem Zustand gezeigt, in dem die Brennkraftmaschine 2 bei mittleren Motordrehzahlen und insbesondere einer Nennleistung betrieben wird. In diesem Zustand sind die ersten Abgasventile 23 und die zweiten Abgasventile 24 gestuft in die Maximalstufe verstellt, so dass die Luft in der Frischluftanlage 4 durch das erste Verdichterrad 8 und das zweite Verdichterrad 12 und folglich durch beide Abgasturbolader 6, 10 verdichtet wird. Zudem ist das Bypassventil 16 geschlossen, derart, dass die Luft zunächst vom zweiten Verdichterrad 12 und anschließend vom ersten Verdichterrad 8 verdichtet wird. Hierdurch wird ein maximaler Verdichtungsgrad erreicht. In diesem Zustand wird die variable Turbinengeometrie 25 kontinuierlich geöffnet, derart, dass sie zumindest 25% geöffnet ist.
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In dem gezeigten Beispiel ist das zweite Turbinenrad 11 des zweiten Abgasturboladers 10 weiter entfernt von den Zylindern 3 angeordnet als das erste Turbinenrad 7 des erste Abgasturboladers 6. Das heißt, dass ein Strömungspfad des Abgases vom jeweiligen Zylinder 3 zum ersten Turbinenrad 7 kürzer ist als zum zweiten Turbinenrad 17. Dementsprechend ist auch die variable Turbinengeometrie 25 verhältnismäßig weit entfernt von den Zylindern 3 angeordnet, so dass eine thermische und/oder thermochemische Belastung der variablen Turbinengeometrie 25 reduziert ist. Die nähere Anordnung des ersten Turbinenrads 7 zu den Zylindern 3 erlaubt demgegenüber ein effizienteres Aufladen mit Hilfe des ersten Abgasturboladers 6.
