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Die Erfindung betrifft eine Abgasturbine sowie eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasturbine. Die Abgasturbine kann insbesondere Bestandteil eines Abgasturboladers sein, durch den eine Aufladung der Brennkraftmaschine realisiert werden soll.
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Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Verbrennungsmotoren, die mehrere Brennräume aufweisen, kann eine einfache Abgasflut des Abgasstrangs, die die Brennräume mit der Abgasturbine verbindet, zu einem sogenannten Übersprechen eines Abgasstoßes von aus einem der Brennräume ausgestoßenen Abgas auf die anderen Brennräume führen. Dies kann vor allem bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit erhöhter Last zu einer unerwünschten Beeinflussung des Betriebsverhaltens führen, da es zu einem Rückströmen von Abgas aus der Abgasflut 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 mit einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrads und des erzeugbaren Drehmoments verbunden sein. Dieses Problem des Übersprechens stellt sich insbesondere bei Brennkraftmaschinen, deren Verbrennungsmotoren vier oder mehr Brennräume aufweisen, da sich mit zunehmender Anzahl an Brennräumen die Zündfolge, mit der die Verbrennungsprozesse in diesen Brennräumen eingeleitet werden, verkürzt, was den Effekt verstärkt, dass der Abgasstoß aus einem Brennraum sich noch in der Abgasflut als Druckwelle ausbreitet, wenn die Auslassventile zumindest eines anderen der Brennräume bereits oder noch geöffnet sind.
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Eine Möglichkeit, ein solches Übersprechen zu minimieren, liegt darin, den sich an die Brennräume anschließenden Abschnitt des Abgasstrangs mehrflutig auszubilden, wobei auch vorgesehen sein kann, die separierten Abgasfluten dieses Abschnitts des Abgasstrangs bis zu der Abgasturbine zu führen, wodurch möglichst große Lauflängen für die aus den einzelnen Brennräumen stammenden Abgasstöße realisiert werden. Relativ große Lauflängen für die Abgasstöße führen zu einer zeitlichen Verzögerung des Auftreffens der Abgasstöße beziehungsweise der aus diesen folgenden Druckwellen auf die andere(n) Abgasflut(en) und die damit abgasführend verbundenen Brennräume sowie zu einer Verringerung des Maximaldrucks der Abgasstöße bei dem Auftreffen auf die anderen andere(n) Abgasflut(en) infolge von Strömungsverlusten über den Lauflängen.
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Besonders weitgehend lassen sich die Lauflängen von Abgasstößen maximieren, wenn die Separierung der über die mehreren Abgasfluten geführten Abgasströme noch in dem Einlasskanal der Abgasturbine und damit bis zum Erreichen des Turbinenlaufrads der Abgasturbine aufrecht gehalten wird. Dies ist beispielsweise durch die Verwendung sogenannter TwinScroll- oder DualVolute-Abgasturbinen möglich.
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TwinScroll-Abgasturbinen können dabei zwei separierte Einlasskanäle aufweisen, die in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse des Turbinenlaufrads nebeneinander angeordnet sind und die das Turbinenlaufrad vollumfänglich umschlingen. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Mündungsöffnungen dieser separierten Einlasskanäle, über die diese in einen das Turbinenlaufrad aufnehmenden Aufnahmeraum der Abgasturbine übergehen, das Turbinenlaufrad vollumfänglich umgeben. Dadurch sind die Öffnungsflächen in den Übergängen zwischen den Einlasskanälen und dem Aufnahmeraum maximiert, was zu einer möglichst großen Durchlässigkeit der Abgasturbine beziehungsweise zu einem relativ kleinen Strömungswiderstand für die von den Einlasskanälen in den Aufnahmeraum überströmenden Abgasströme führt. Nachteilig an solchen TwinScroll-Abgasturbinen ist jedoch die üblicherweise benachbarte beziehungsweise nebeneinander liegende Anordnung der Einlassöffnungen der Einlasskanäle, über die die Abgasströme in die das Turbinenlaufrad umschlingenden (Voluten-)Abschnitte der Einlasskanäle einströmt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass es im Bereich dieser nebeneinander liegenden Einlassöffnungen zu einem quasi-direkten Überströmen von Abgas über die zu den Einlassöffnungen nächstgelegenen Abschnitte der Mündungsöffnungen kommen kann. Die Strömungswege über die eigentliche separierten Volutenabschnitte der Einlasskanäle kann dadurch nicht in einem relevanten Maß für eine Vergrößerung der Lauflängen der Abgasstöße genutzt werden.
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Dieser Nachteil wird bei DualVolute-Abgasturbinen dadurch vermieden, dass die Mündungsöffnungen, über die die Einlasskanäle in den das Turbinenlaufrad aufnehmenden Aufnahmeraum übergehen, rotatorisch bezüglich der Rotationsachse des Turbinenlaufrads versetzt (insbesondere um 180°) zueinander angeordnet sind. Ein quasi direktes Überströmen von Abgasstößen im Bereich der Einlassöffnungen der Einlasskanäle kann dadurch vermieden werden. Nachteilig an solchen DualVolute-Abgasturbine ist jedoch die verringerte Durchlässigkeit, da eine rotatorisch versetzte Anordnung der Mündungsöffnungen bedingt, diese relativ klein auszubilden.
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Die
DE 10 2008 020 406 A1 offenbart verschiedene Ausgestaltungen von Abgasturbinen, von denen eine prinzipiell einer TwinScroll- und die andere prinzipiell einer DualVolute-Abgasturbine entspricht, jedoch jeweils mit der Besonderheit, dass die zwei Einlasskanäle das dazugehörige Turbinenlaufrad mit unterschiedlich großen Winkeln umschlingen.
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Die
DE 10 2010 022 092 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinengehäuses einer zweiflutigen Abgasturbine.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Abgasturbine anzugeben, mittels der bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasfluten eine möglichst große Lauflänge für Abgasstöße realisiert werden kann, wobei die Abgasturbine gleichzeitig eine möglichst große Durchlässigkeit aufweisen soll.
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Diese Aufgabe ist bei einer Abgasturbine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Abgasturbine ist Gegenstand des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Abgasturbine und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Abgasturbine mit einem Gehäuse und einem Turbinenlaufrad vorgesehen, wobei das Turbinenlaufrad in einem von dem Gehäuse begrenzten Aufnahmeraum drehbar um eine Rotationsachse angeordneten ist. Das Gehäuse begrenzt weiterhin mindestens und vorzugsweise exakt zwei (voneinander) separierte Einlasskanäle, die jeweils einen den Aufnahmeraum (zumindest teilweise) umschlingenden und in den Aufnahmeraum mündenden Volutenabschnitt aufweisen, wobei die (axial benachbart angeordneten) Volutenabschnitte jeweils eine Einlassöffnung für ein Einströmen von Abgas in den jeweiligen Volutenabschnitt ausbilden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jeweils eine Mündungsöffnung, die in dem Übergang zwischen dem Volutenabschnitt des jeweiligen Einlasskanals und dem Aufnahmeraum angeordnet ist, das Turbinenlaufrad über einen Winkel (bezogen auf die Rotationsachse) von mindestens 300°, vorzugsweise von mindestens 330° und besonders bevorzugt von 360° (d.h. vollumfänglich) umgibt und dass die Einlassöffnungen der Volutenabschnitte der zwei Einlasskanäle um eine Winkel bezüglich der Rotationsachse von mindestens 90°, vorzugsweise von mindestens 120° und besonders bevorzugt von 180° rotatorisch versetzt angeordnet sind.
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Eine solche Abgasturbine kombiniert die Vorteile der bekannten TwinScroll- und DualVolute-Abgasturbinen, denn durch die relativ große und insbesondere vollumfängliche Erstreckung der Mündungsöffnungen umfangsseitig des Turbinenlaufrads wird eine möglichst große Durchlässigkeit der Abgasturbine realisiert, wie dies grundsätzlich auch bei einer TwinScroll-Abgasturbine realisiert sein kann. Durch den großen und insbesondere um 180° (und damit maximal) vorgesehenen rotatorischen Versatz der Einlassöffnungen kann gleichzeitig eine möglichst große Lauflänge für Abgasstöße, die in die verschiedenen Einlasskanäle einströmen, realisiert werden, da diese zunächst den Volutenabschnitt des jeweiligen Einlasskanals oder das Turbinenlaufrad über dem jeweiligen halben Umfang durchströmen müssen, bevor ein Austritt aus der Einlassöffnung des anderen Einlasskanals möglich ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, die zumindest einen Verbrennungsmotor mit mindestens zwei Brennräumen und einen Abgasstrang mit einer erfindungsgemäßen Abgasturbine aufweist, wobei die zwei Brennräume des Verbrennungsmotors jeweils über eine separierte Abgasflut mit einer der Einlassöffnungen der Abgasturbine gasführend verbunden sind, kann sich dementsprechend durch ein relativ geringes Übersprechen von Abgasstößen zwischen den verschiedenen Brennräumen auszeichnen, was sich positiv auf das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auswirkt.
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Sofern dabei, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, die Brennkraftmaschine mehr als zwei Brennräume aufweist, von denen mindestens zwei einer gemeinsamen Abgasflut zugeordnet sind, sollte vorzugsweise eine die Zündfolge des Verbrennungsmotors berücksichtigende Aufteilung der Brennräume auf die verschiedenen Abgasfluten erfolgen. Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier Brennräume mit einer definierten Zündfolge aufweist, wobei eine erste Gruppe der Brennräume, die mindestens zwei Brennräume umfasst, mit einer ersten der Abgasfluten verbunden ist und eine zweite Gruppe der Brennräume (die auch nur einen Brennraum umfassen kann) mit einer zweiten der Abgasfluten verbunden ist und wobei mehrere Brennräume mindestens einer oder jeder der Gruppen hinsichtlich der Zündfolge durch einen oder mehrere Brennräume der jeweiligen anderen Gruppe separiert sind.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine exakt zwei Abgasfluten aufweist, weil dadurch, insbesondere in Kombination mit einer erfindungsgemäßen Abgasturbine und einer die Zündfolge berücksichtigenden Aufteilung der Brennräume auf die Abgasfluten, ein Übersprechen zwischen den Brennräumen ausreichend unterdrückt werden kann. Der konstruktiv größere Aufwand, der mit einer Ausgestaltung des Abgasstrangs mit mehr als zwei Abgasfluten einhergehen würde, kann dadurch vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Abgasturbine kann vorgesehen sein, dass die Volutenabschnitte den Aufnahmeraum jeweils vollumfänglich umgeben, so dass diese jeweils als in sich geschlossene Ringkanäle ausgebildet sind. Für die bevorzugte Ausgestaltungsform, bei der die Mündungsöffnungen über einen Winkel von 360° den Aufnahmeraum umgeben, kann diese Ausgestaltung grundsätzlich erforderlich sein. Ein vollumfängliches Umschlingen des Aufnahmeraums durch die Volutenabschnitte kann sich jedoch auch strömungstechnisch dann vorteilhaft auswirken, wenn die Mündungsöffnungen kleiner (als vollumfänglich umgebend) ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Abgasturbine können die Einlassöffnungen im Bereich eines Übergangs eines Einlassabschnitts des jeweiligen Einlasskanals in den dazugehörigen Volutenabschnitt angeordnet sein, wobei die Einlassabschnitte weiterhin bevorzugt tangential in den jeweils zugehörigen Volutenabschnitt übergehen. Auch diese Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Abgasturbine kann sich vorteilhaft hinsichtlich der Strömungsführung der Abgasströme innerhalb der Einlasskanäle auswirken.
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Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich um einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder um einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder um eine Kombination aus Diesel- und Ottomotor, z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei grundsätzlich mit einem beliebigen Kraftstoff, der überwiegend aus Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen besteht, insbesondere mit einem derzeit üblichen Flüssigkraftstoff (d.h. mit Diesel-Kraftstoff oder Benzin) oder mit einem bei Umgebungsbedingungen gasförmigen Kraftstoff (insbesondere mit Erdgas (CNG), LNG, LPG oder Wasserstoff) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann grundsätzlich weiterhin 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 zündfähige Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen auszubilden. Der Verbrennungsmotor kann insbesondere aufgeladen sein und demnach einen in den Frischgasstrang integrierten Frischgasverdichter zur Verdichtung des Frischgases aufweisen. Der Frischgasverdichter und die Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine können dabei insbesondere Komponenten eines Abgasturboladers sein, bei dem eine Rotation des Turbinenlaufrads der Abgasturbine direkt oder indirekt, insbesondere über eine Welle, auf ein Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters übertragen werden kann, wobei diese Rotation des Verdichterlaufrads die Verdichtung des Frischgases bewirkt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in zumindest teilweise vereinfachter Darstellung:
- 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
- 2: einen Teil eines Gehäuses einer erfindungsgemäßen Abgasturbine in einer perspektivischen Ansicht;
- 3: den Teil des Gehäuses gemäß der 2 und das Turbinenlaufrad der Abgasturbine in einer ersten Seitenansicht;
- 4: den Teil des Gehäuses gemäß der 2 und das Turbinenlaufrad der Abgasturbine in einer zweiten Seitenansicht;
- 5: in einem Diagramm beispielhafte Verläufe von Betriebsparametern einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und entsprechende Verläufe für eine vergleichbare Brennkraftmaschine mit einer konventionellen Abgasturbine.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 1, der als Hubkolbenmotor mit vier in Reihe angeordneten Zylindern 2 ausgebildet ist. Die Zylinder 2 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben 3 und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume 4, in denen im Betrieb der Brennkraftmaschine Frischgas (primär Luft, ggf. mit rückgeführtem Abgas) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff kann dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt), mittels Injektoren (nicht dargestellt) direkt in die Brennräume 4 eingespritzt werden. Das Verbrennen der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen führt zu zyklischen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen der Kolben 3, 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.
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Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 1 über einen Frischgasstrang 5 zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung aus der Umgebung angesaugt und anschließend in einen Frischgasverdichter 6, der Teil eines Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Frischgasverdichters 6 verdichtet, anschließend optional in einem Ladeluftkühler (nicht dargestellt) abgekühlt und mittels Einlassventilen 7 zeitlich gesteuert und dosiert den Brennräumen 4 zugeführt. Der Antrieb des Frischgasverdichters 6 erfolgt mittels einer Abgasturbine 8 des Abgasturboladers, die in einen Abgasstrang 9 der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen 4 des Verbrennungsmotors 1 entstanden ist, wird zeitlich gesteuert und dosiert mittels Auslassventilen 10, über den Abgasstrang 9 von dem Verbrennungsmotor 1 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 8. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads 11, das über eine Welle 12 drehfest mit einem Verdichterlaufrad 13 des Frischgasverdichters 6 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads 11 wird dadurch auf das Verdichterlaufrad 13 übertragen.
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Die Einlassventile 7 und/oder die Auslassventile 10 können in bekannter Weise als Tellerventile ausgebildet sein, die, sofern diese nicht aktiv betätigt werden, federbelastet jeweils einen in dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotor 1 ausgebildeten Auslasskanal oder Einlasskanal verschließen. Bei einer Betätigung werden diese dagegen von dem jeweils dazugehörigen Ventilsitz abgehoben, wodurch die dazugehörigen Auslass- oder Einlasskanäle temporär freigegeben werden. Eine Betätigung der Einlassventile 7 und/oder der Auslassventile 10 kann insbesondere in herkömmlicher Weise mittels einer oder mehrerer, insbesondere mittels zwei Nockenwellen (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 1 erfolgen.
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Stromab des Frischgasverdichters 6 kann in die Ladeluftstrecke, d.h. in den zwischen dem Frischgasverdichter 6 und dem Verbrennungsmotor 1 gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs 5, eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung ansteuerbare Regelklappe (nicht dargestellt) integriert sein.
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Die Abgasturbine 8 umfasst ein Gehäuse 14, das u.a. mit einem nicht dargestellten Gehäuseabschnitt einen Aufnahmeraum 15 begrenzt, innerhalb dessen das Turbinenlaufrad 11 drehbar um eine Rotationsachse 17 gelagert ist (vgl. 3 und 4). Das Gehäuse 14 begrenzt weiterhin zwei separierte Einlasskanäle 16, die jeweils einen ringförmigen Volutenabschnitt 18 umfassen, der den Aufnahmeraum 15 vollumfänglich umgibt, wobei die Volutenabschnitte 18 radial innenliegend vollumfänglich in den Aufnahmeraum 15 übergehen, so dass zwischen den einzelnen Volutenabschnitten 18 und dem Aufnahmeraum 15 jeweils eine ringförmig umlaufend Mündungsöffnung 19 ausgebildet ist. Die Einlasskanäle 16 umfassen weiterhin jeweils einen zumindest in dem Übergang in den dazugehörigen Volutenabschnitt 18 in etwa geradlinig verlaufenden Einlassabschnitt 20, der tangential in den dazugehörigen Volutenabschnitt 18 übergeht, wobei im Bereich dieses Übergangs jeweils eine Einlassöffnung (nicht sichtbar) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einlassabschnitte 20 und insbesondere auch die dazugehörigen Einlassöffnungen der beiden Einlasskanäle 16 um 180° rotatorisch versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass ein Abgasstoß, der aus einem der Brennräume 4 des Verbrennungsmotors 1 ausgestoßen wurde und der über eine dazugehörige Abgasflut 21 in einen der Einlasskanäle 16 geströmt ist, den dazugehörigen Volutenabschnitt 18 und/oder das Turbinenlaufrad 11 halbumfänglich durchströmen muss, bevor sich dieser infolge eines entsprechenden, temporären Druckgefälles in den Einlassabschnitt 20 des anderen Einlasskanals 16 und von diesem über eine dazugehörige Abgasflut 21 des Abgasstrangs 9 in zumindest einen der anderen Brennräume 4 ausbreiten kann (vgl. die in der 3 eingezeichnete Strömungsführung). Durch solche relativ große Lauflängen für aus den Brennräumen 4 des Verbrennungsmotors 1 ausgestoßene Abgasstöße kann das sogenannte Übersprechen zwischen den Brennräumen 4 möglichst minimiert werden. Dies ist darin begründet, dass die Druckwelle eines aus einem der Brennräume 4 stammenden, zu einem oder mehreren anderen Brennräumen 4 zurückströmenden Abgasstoßes erst dann auf die Auslassventile 10 dieses Brennraums 4 oder dieser Brennräume 4 auftrifft, wenn diese Auslassventile 10 (bereits wieder oder noch) relativ weitgehend oder vollständig geschlossen sind. Zudem führen relativ große Lauflängen für die Abgasstöße dazu, dass sich die entsprechenden Druckwellen infolge von über der Lauflänge zunehmenden Strömungsverlusten abflachen.
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Um ein Übersprechen möglichst effektiv zu minimieren ist vorgesehen, die insgesamt vier Brennräume 4 unter Berücksichtigung der für die Brennräume 4 vorgesehenen Zündfolge (1-3-4-2); d.h. Reihenfolge der Einleitung der Verbrennungsprozesse zuerst in dem Brennraum 4a, dann in dem Brennraum 4c, dann in dem Brennraum 4d und abschließend in dem Brennraum 4b) derart zu gruppieren, dass jeweils zwei Brennräume 4 einer der zwei Abgasfluten 21 zugeordnet sind, wobei die Brennräume 4 der jeweiligen Gruppen durch einen Brennraum 4 der jeweiligen anderen Gruppe hinsichtlich der Zündfolge separiert sind. Dementsprechend verbindet bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 eine der Abgasfluten 21 die Brennräume 4a und 4d mit einem der Einlasskanäle 16 der Abgasturbine 8 und die andere der Abgasfluten 21 die Brennräume 4b und 4c mit dem anderen der Einlasskanäle 16 der Abgasturbine 8.
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Die 5 zeigt die sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Abgasturbine 8 ergebenden Vorteile hinsichtlich des Übersprechens zwischen den Brennräumen 4 einer diese Abgasturbine 8 umfassenden Brennkraftmaschine (gemäß der 1). Die 5 zeigt in einem Diagramm einerseits den Verlauf 22 des Ventilhubs h des oder der Auslassventile 10 und den Verlauf 23 des Ventilhubs h des oder der Einlassventile 7, die einem konkret betrachteten Brennraum 4 der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, jeweils über dem Drehwinkel α (in °KW) der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Weiterhin ist in dem Diagramm der (gestrichelt gezeichnete) Verlauf 24 des Massenstroms ṁ (in g/s) von Abgas in derjenigen Abgasflut 21, die mit dem betrachteten Brennraum 4 verbunden ist, sowie ein entsprechender (durchgehend gezeichneter) Verlauf 25 bei einer Brennkraftmaschine, die eine konventionelle TwinScroll-Abgasturbine umfasst, ansonsten jedoch identisch ausgebildet ist, dargestellt. In dem Diagramm ist zudem ein (gestrichelt gezeichneter) Verlauf 26 eines Drucks pA (in bar) in der betrachteten Abgasflut 21 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie ein entsprechender (durchgehend gezeichneter) Verlauf 27 für die zum Vergleich herangezogene Brennkraftmaschine gezeigt. Und schließlich ist in der 5 jeweils ein Verlauf 28, 29 des Drucks pF des Frischgases in dem Frischgasstrang 5 in unmittelbarer Nähe zu den Einlassventilen 7 für einerseits die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine (gestrichelt gezeichneter Verlauf 28) und andererseits für die zum Vergleich herangezogene Brennkraftmaschine (durchgehend gezeichneter Verlauf 29) dargestellt.
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In dem Diagramm der 5 ist in dem Bereich um 360°KW mittels eines Rechtecks ein Abschnitt der Verläufe hervorgehoben, in dem sich ein Übersprechen eines zu dem betrachteten Brennraum 4 benachbarten Brennraums 4, der mit der anderen Abgasflut 21 verbunden ist, auswirkt. Zu erkennen ist, dass sich in diesem zeitlichen Abschnitt ein negatives Spülgefälle (d.h. bei fluidleitender Verbindung ist ein Überdruck in der mit dem betrachteten Brennraum 4 verbundenen Abgasflut 21 im Vergleich zu dem Druck in dem Frischgasstrang 5 gegeben) einstellt, weil das oder die Auslassventile 10 des betrachteten Brennraums 4 noch nicht vollständig geschlossen, in dieser Phase aber die Auslassdruckwelle des zuvor ausstoßenden Zylinders in den Abgastrakt einläuft, und das oder die dazugehörigen Einlassventile 7 bereits schon teilweise geöffnet sind. Dieses negative Spülgefälle führt zu einem negativen Abgasmassenstrom ṁ und folglich zu einem Rückströmen von Abgas aus der Abgasflut 21 in den betrachteten Brennraum 4. Zu erkennen ist in dem Diagramm der 5 weiterhin, dass der Druck in der Abgasflut 21 bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine insgesamt flacher verläuft, d.h. geringere Spitzenwerte erreicht. Dabei ergibt sich insbesondere ein deutlich reduzierter Spitzendruck in dem hervorgehobenen, durch das Übersprechen beeinflussten Bereich. Zudem kann dem Diagramm der 5 entnommen werden, dass die entsprechende Druckwelle in diesem Abschnitt, die aus einem Ausstoß von Abgas aus dem benachbarten Brennraum 4 resultiert, zeitlich verzögert einsetzt und sich somit erst bei weiter geschlossenen Auslassventilen 10 auswirken kann. Im Ergebnis kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasturbine 8, die größere Lauflängen für Abgasstöße bewirkt, die Menge des in den betrachteten Brennraum 4 zurückströmenden Abgases und damit das Übersprechen zwischen den Brennräumen 4 deutlich reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Brennraum
- 4a
- erster Brennraum
- 4b
- zweiter Brennraum
- 4c
- dritter Brennraum
- 4d
- vierter Brennraum
- 5
- Frischgasstrang
- 6
- Frischgasverdichter
- 7
- Einlassventil
- 8
- Abgasturbine
- 9
- Abgasstrang
- 10
- Auslassventil
- 11
- Turbinenlaufrad
- 12
- Welle
- 13
- Verdichterlaufrad
- 14
- Gehäuse der Abgasturbine
- 15
- Aufnahmeraum der Abgasturbine
- 16
- Einlasskanal der Abgasturbine
- 17
- Rotationsachse des Turbinenlaufrads
- 18
- Volutenabschnitt des Einlasskanal
- 19
- Mündungsöffnung der Abgasturbine
- 20
- Einlassabschnitt des Einlasskanal
- 21
- Abgasflut
- 22
- Verlauf des Ventilhubs eines Auslassventils
- 23
- Verlauf des Ventilhubs eines Einlassventils
- 24
- Verlauf des Massenstroms von Abgas in einer Abgasflut einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
- 25
- Verlauf des Massenstroms von Abgas in einer Abgasflut einer für einen Vergleich herangezogenen, konventionellen Brennkraftmaschine
- 26
- Verlauf des Drucks des Abgases in der Abgasflut der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
- 27
- Verlauf des Drucks des Abgases in der Abgasflut der für den Vergleich herangezogenen, konventionellen Brennkraftmaschine
- 28
- Verlauf des Drucks von Frischgas in dem Frischgasstrang der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
- 29
- Verlauf des Drucks von Frischgas in dem Frischgasstrang der für den Vergleich herangezogenen, konventionellen Brennkraftmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008020406 A1 [0007]
- DE 102010022092 A1 [0008]
