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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2005 059 086 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare erste Turbine auf, mittels welcher ein Verdichterrad antreibbar ist. Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine eine stromab der ersten Turbine angeordnete und von dem Abgas antreibbare Nutzturbine, welche auch als Compound-Turbine bezeichnet wird. Die erste Turbine und die Nutzturbine bilden somit beispielsweise einen sogenannten Turbo-Compound.
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Des Weiteren offenbart die
AT 003 396 U1 eine Turbo-Compound-Brennkraftmaschine, mit mehreren Zylindern, mit einem einen Verdichter aufweisenden Einlasssystem und mit einem zumindest eine Turbine aufweisenden Auslasssystem. Dabei ist zumindest eine Turbinenstufe mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden, wobei der Verdichter durch die Turbine angetrieben ist. Dabei ist es vorgesehen, dass stromaufwärts der Turbine vom Abgassystem mindestens eine Abgasrückführleitung abzweigt und in das Einlasssystem mündet, wobei in der Abgasrückführleitung zumindest ein Abgassteuerorgan angeordnet ist.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2005 003 714 A1 eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Turbocompound-System, welches einen Abgasturbolader, einen Ladeluftkühler sowie eine Nutzturbine enthält, die über ein Getriebe mit Kupplung mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine einen zusätzlichen, zuschaltbaren Verdichter aufweist, der mit der Nutzturbine und/oder mit der Verbrennungskraftmaschine koppelbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Turbine als eine asymmetrische Turbine ausgebildet ist und dadurch wenigstens oder genau zwei von dem Abgas durchströmbare und asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten aufweist. Unter dem Merkmal, dass die Fluten asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, ist insbesondere zu verstehen, dass die Fluten hinsichtlich ihrer jeweiligen, von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitte asymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Dabei ist beispielsweise ein erster der Strömungsquerschnitte einer ersten der Fluten größer als der zweite Strömungsquerschnitt der zweiten Flut ausgebildet, sodass die erste Flut größer als die zweite Flut ist.
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Die Nutzturbine ist eine zweite Turbine, welche auch als Compound-Turbine bezeichnet wird. Somit bilden die Turbinen einen sogenannten Turbo-Compound, dessen erste Turbine als asymmetrische Turbine ausgebildet ist. Hierdurch kann der Kraftstoffverbrauch in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden. Da mittels der jeweiligen Turbine eine jeweilige Druckverringerung beziehungsweise Druckreduzierung des Abgases bewirkt wird beziehungsweise bewirkbar ist, und da die erste Turbine stromauf der Nutzturbine angeordnet ist, wobei die erste Turbine und die Nutzturbine in Reihe zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet sind, weist das Abgas stromauf der ersten Turbine und somit stromauf der Nutzturbine einen ersten Druck und stromab der ersten Turbine und stromauf der Nutzturbine eine gegenüber dem ersten Druck geringeren zweiten Druck auf. Somit ist die erste Turbine eine sogenannte Hochdruckturbine, wobei die Nutzturbine eine sogenannte Niederdruckturbine ist. Die Hochdruckturbine wird auch als Hochdruckstufe bezeichnet, wobei die Niederdruckturbine auch als Niederdruckstufe bezeichnet wird. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmlicherweise die Hochdruckstufe als eine einflutige Turbine ausgebildet ist, welche genau eine von dem Abgas durchströmbare Flut aufweist. Kommt dabei eine Abgasrückführung zum Einsatz, mittels welcher zumindest ein Teil des Abgases rückgeführt und beispielsweise zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird, so muss die Abgasrückführung stark gedrosselt werden, da ein großes beziehungsweise starkes negatives Spülgefälle der auch als Verbrennungsmotor oder Motor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine vorliegt. Eine solch starke Drosselung der Abgasrückführung ist üblicherweise erforderlich, um gewünscht hohe Abgasrückführraten (AGR-Raten) einhalten zu können. Aus der starken Drosselung resultieren jedoch große Drosselverluste. Auch ist eine Eintrittstemperatur, mit welcher das rückgeführte Abgas in einen Abgasrückführkühler (AGR-Kühler) zum Kühlen des rückgeführten Abgases einströmt, sehr hoch, wodurch eine besonders große Wärmemenge in ein Kühlsystem eingetragen wird.
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Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine vermieden werden, da als die Hochdruckstufe eine zumindest oder genau zweiflutige Turbine zum Einsatz kommt, insbesondere in Kombination mit der Compound-Turbine.
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Eine der Fluten ist beispielsweise als eine Abgasrückführflut ausgebildet, von welcher wenigstens oder genau eine Abgasrückführleitung zum Rückführen zumindest eines Teils des Abgases direkt abzweigt. Vorzugweise ist die eine, als Abgasrückführflut ausgebildete Flut die zuvor genannte erste Flut. Die zweite Flut ist dabei eine sogenannte Lambda-Flut (λ-Flut), deren Zweck insbesondere darin besteht, ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in deren beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum, einzustellen. Der auch als AGR-Flut bezeichneten Rückführflut kommt insbesondere der Zweck zu, gewünschte und vorzugsweise hohe AGR-Raten realisieren zu können. Ein in der AGR-Flut herrschender Druck des Abgases wird üblicherweise mit P31 bezeichnet, während ein in dem Ansaugtrakt und dabei beispielsweise in einem Saugrohr des Ansaugtrakts herrschender Druck der Luft üblicherweise mit P2S bezeichnet wird. Vorzugsweise wird die AGR-Flut so groß gestaltet, dass zwischen der AGR-Flut beziehungsweise dem Druck P31 und dem Saugrohr beziehungsweise dem Druck P2S nur eine geringere Druckdifferenz besteht. Dadurch kann die AGR-Leitung, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen, entdrosselt werden, was die Verluste durch den AGR-Transport reduziert. Durch den niedrigeren Druck wird auch das Temperaturniveau geringer mit den daraus resultierenden Vorteilen bezüglich des Krümmerwerkstoffes. Vorzugsweise wird die Lambda-Flut so klein gestaltet, dass dem Motor ausreichend Frischluft zur Verfügung gestellt wird. Dies führt dazu, dass der Druck und die Temperatur in der Lambda-Flut wesentlich höher sind als in der AGR-Flut. Dies kann insbesondere zu einer solchen Gestaltung der Hochdruckturbine führen, dass die AGR-Flut beziehungsweise deren von dem Abgas durchströmbare Strömungsquerschnitt größer als die Lambda-Flut beziehungsweise deren von dem Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt ist.
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Als eine weitere Möglichkeit hinsichtlich des Thermomanagements kann hier auch eine verschobene AGR-Klappe eingesetzt werden. Unter der verschobenen AGR-Klappe ist ein auch als AGR-Ventil bezeichnetes Ventilelement zu verstehen, mittels welchem eine die Abgasrückführleitung durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Das Ventilelement ist dabei zumindest teilweise in einem Leitungselement angeordnet, mittels welchem das Abgas zu einem Turbinenrad der ersten Turbine zu führen ist. Üblicherweise ist das Ventilelement vollständig in der Abgasrückführleitung angeordnet, sodass das Ventilelement nur von Abgas durchströmbar ist, welches durch die Abgasrückführleitung und somit nicht zu der ersten Turbine beziehungsweise nicht zu dem Turbinenrad der ersten Turbine strömt. Ist das Ventilelement jedoch als verschobene AGR-Klappe ausgebildet, so wird beziehungsweise ist das Ventilelement sowohl von Abgas durchströmbar beziehungsweise durchströmt, welches die Abgasrückführleitung durchströmt, als auch von Abgas, welches zu dem Turbinenrad der ersten Turbine strömt und das Turbinenrad der ersten Turbine antreibt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform; und
- 2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug. Das Kraftfahrzeug, welches vorteilhafterweise als Kraftwagen ausgebildet ist, ist mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ein beispielsweise als Kurbelgehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes Motorgehäuse 12 auf, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet beziehungsweise begrenzt sind. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist dabei einen von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 16 auf, welcher auch als Einlasstrakt bezeichnet wird. Die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft wird mittels des Ansaugtrakts 16 zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet, sodass die Zylinder 14, zumindest während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10, mit der den Ansaugtrakt 16 durchströmenden Luft versorgt werden.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner einen von Abgas aus den Zylindern 14 und somit von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbaren Abgastrakt 18 auf, mittels welchem das Abgas aus den Zylindern 14 von diesen weggeführt wird. Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Turbo-Compound 20 auf, welcher eine in dem Abgastrakt 18 angeordnete erste Turbine 22 und eine im Abgastrakt 18 angeordnete zweite Turbine in Form einer Nutzturbine 24 aufweist. Dabei ist auch die Nutzturbine 24 von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. In dem Abgastrakt 18 sind die Turbinen bezüglich einer Strömungsrichtung des den Abgastrakt 18 durchströmenden Abgases seriell beziehungsweise in Reihe zueinander angeordnet oder geschaltet, sodass das Abgas zunächst die Turbine 22 durchströmt und antreibt, woraufhin das Abgas, welches die Turbine 22 durchströmt oder angetrieben hat, durch die Nutzturbine 24 strömt und diese antreibt.
Die erste Turbine 22 ist beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers 26, welcher die erste Turbine 22 und einen im Ansaugtrakt 16 angeordneten Verdichter 28 aufweist. Der Verdichter 28 ist von der Turbine 22 antreibbar. Mittels des Verdichters 28 kann die den Ansaugtrakt 16 durchströmende Luft verdichtet werden.
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Um nun den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 in einem besonders geringen Rahmen halten zu können, ist die erste Turbine 22 als eine asymmetrische Turbine ausgebildet. Dadurch weist die Turbine 22 wenigstens oder vorliegend genau zwei von dem Abgas aus den Zylindern 14 durchströmbare und asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 30 und 32 auf. Unter dem Merkmal, dass die Fluten 30 und 32 asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, ist insbesondere zu verstehen, dass die Fluten 30 und 32 hinsichtlich ihrer jeweiligen, von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitte asymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass die Strömungsquerschnitte asymmetrisch zueinander ausgebildet sind, wobei sich die Strömungsquerschnitte beispielsweise hinsichtlich ihrer Größen beziehungsweise Flächeninhalte voneinander unterscheiden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Flut 30 größer als die Flut 32 ist, sodass der Strömungsquerschnitt der Flut 30 größer als der Strömungsquerschnitt der Flut 32 ist.
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Aus 1 ist erkennbar, dass die Flut 30 als Abgasrückführflut (AGR-Flut) ausgebildet ist, von welcher wenigstens oder vorliegend genau eine Abgasrückführleitung 34 von einer Abgasrückführeinrichtung 36 der Verbrennungskraftmaschine 10 direkt abzweigt. Dabei zweigt keine Abgasrückführleitung zum Rückführen des Abgases von der Flut 32 ab, sodass ein direktes Abzweigen einer zum Rückführen von Abgas ausgebildeten Abgasrückführleitung von der Flut 32 unterbleibt. In der Folge ist die Flut 32 als Lambda-Flut ausgebildet, deren Zweck insbesondere darin besteht, ein gewünschtes Verbrennungsluftverhältnis in den Zylindern 14 einzustellen. Der AGR-Flut kommt insbesondere die Aufgabe zu, hinreichend hohe Mengen an rückzuführendem beziehungsweise rückgeführten Abgas realisieren zu können.
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Mittels der Abgasrückführleitung 34 kann zumindest ein Teil des die Flut 30, insbesondere ein Leitungselement 38, durchströmenden Abgases aus der Flut 30 beziehungsweise aus dem Leitungselement 38 abgezweigt werden. Das Leitungselement 38 ist beispielsweise Bestandteil der Flut 30 oder fluidisch mit der Flut 30 verbunden, sodass beispielsweise das Abgas aus den Zylindern 14 mittels des Leitungselements 38 zu der Flut 30 führbar und in die Flut 30 einleitbar ist.
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Die jeweilige Turbine weist ein jeweiliges Turbinenrad auf, welches von dem Abgas antreibbar und dadurch um eine Drehachse relativ zu einem jeweiligen Kabinengehäuse der jeweiligen Turbine drehbar ist. Mittels der Flut 30 wird das die Flut 30 durchströmende Abgas zu dem Turbinenrad der ersten Turbine 22 geführt. Somit ist zumindest ein Teil des Abgases aus den Zylindern 14 mittels des Leitungselements 38 zu dem Turbinenrad der Turbine 22 zu führen. Dabei zweigt beispielsweise die Abgasrückführleitung 34 direkt von dem Leitungselement 38 ab, welches Teil der Flut 30 sein kann.
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Die Abgasrückführeinrichtung 36 weist ein Ventilelement 40 auf, welches beispielsweise als Klappe ausgebildet ist und daher auch als AGR-Klappe bezeichnet wird. Mittels des Ventilelements 40, welches einfach auch als Ventil bezeichnet wird, ist eine Menge des die Abgasrückführleitung 34 durchströmenden und somit rückzuführenden beziehungsweise rückgeführten Abgases einstellbar. Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist das Ventilelement 38 vollständig beziehungsweise ausschließlich in der Abgasrückführleitung 34 und nicht etwa in dem Leitungselement 38 beziehungsweise nicht in der Flut 30 angeordnet, sodass das Ventilelement 40 ausschließlich von rückzuführendem und somit die Abgasrückführleitung 34 durchströmendem Abgas durchströmbar ist. Des Weiteren umfasst die Abgasrückführeinrichtung 36 einen in der Abgasrückführleitung 34 angeordneten Kühler 42, welcher auch als AGR-Kühler bezeichnet wird. Der AGR-Kühler ist stromab des Ventilelements 40 angeordnet, wobei das rückzuführende Abgas mittels des Kühlers 42 zu kühlen ist beziehungsweise gekühlt wird.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass das Ventilelement 40 als verschobenes Ventilelement, das heißt als verschobene AGR-Klappe, ausgebildet ist. Bei der zweiten Ausführungsform ist das Ventilelement 40 zumindest teilweise in dem Leitungselement 38 beziehungsweise in der Flut 30 angeordnet. Ferner ist das Ventilelement 40 beispielsweise teilweise in der Abgasrückführleitung 34 angeordnet. Somit ist das Ventilelement 40 sowohl von die erste Turbine 22 durchströmendem und somit das Turbinenrad der ersten Turbine 22 antreibendem Abgas als auch von die Abgasrückführleitung 34 durchströmendem Abgas durchströmbar. Mit anderen Worten kann das Ventilelement 40 sowohl von Abgas durchströmt werden, welches die Abgasrückführleitung 34 durchströmt, als auch von Abgas, welches zu dem Turbinenrad der Turbine 22 strömt beziehungsweise mittels des Leitungselements 38 zu dem Turbinenrad der Turbine 22 geführt wird. Dadurch können beispielsweise mittels des Ventilelements 40 sowohl die die Abgasrückführleitung 34 durchströmende Menge des Abgases als auch eine die Turbine 22 durchströmende und somit das Turbinenrad der Turbine 22 antreibende Menge des Abgases besonders vorteilhaft und präzise eingestellt werden. In der Folge kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 10 besonders gering gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Motorgehäuse
- 14
- Zylinder
- 16
- Ansaugtrakt
- 18
- Abgastrakt
- 20
- Turbo-Compound
- 22
- erste Turbine
- 24
- Nutzturbine
- 26
- Abgasturbolader
- 28
- Verdichter
- 30
- Flut
- 32
- Flut
- 34
- Abgasrückführleitung
- 36
- Abgasrückführeinrichtung
- 38
- Leitungselement
- 40
- Ventilelement
- 42
- Kühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005059086 A1 [0002]
- AT 003396 U1 [0003]
- DE 102005003714 A1 [0004]
