DE102020214067A1

DE102020214067A1 - Für einen Betrieb mittels eines Dedicated-EGR-Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Verdichter und mehreren Abgasturbinen

Info

Publication number: DE102020214067A1
Application number: DE102020214067.7A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Brandes-Grote; Gerald Block; Christian Maas; Andreas Grote
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Es ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor 1 umfasst, der eine Brennraumbank 2, 2a aufweist, die mindestens einen ersten Brennraum 4a und mindestens einen zweiten Brennraum 4b aufweist. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine einen Frischgasstrang 7, der zumindest einen Verdichter 16, 16a umfasst. Die Brennkraftmaschine weist weiterhin einen Abgasstrang 9 auf, der einen ersten Abgasteilstrang 9a und einen zweiten Abgasteilstrang 9b umfasst, die separiert verlaufen, wobei der erste Abgasteilstrang 9a von dem mindestens einen ersten Brennraum 4a abgeht und zu einer Umgebungsmündung 3 führt sowie eine erste Abgasturbine 10a umfasst. Der zweite Abgasteilstrang 9b geht dagegen von dem mindestens einen zweiten Brennraum 4b ab und umfasst zumindest eine zweite Abgasturbine 10b. Zudem weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Abgasrückführleitung 13 auf, die stromab der zweiten Abgasturbine 10b aus dem zweiten Abgasteilstrang 9b abzweigt und die in den Frischgasstrang 7 mündet. Gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine dadurch, dass sowohl die erste Abgasturbine 10a als auch die zweite Abgasturbine 10b drehantreibend mit dem Verdichter 16, 16a verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem sogenannten Dedicated-EGR-Verfahren betreibbare Brennkraftmaschine.
Ein solches Verfahren ist aus der US 2009/308070 A1 bekannt. Dabei wird das gesamte Abgas einer Teilmenge von Brennräumen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine, die auch als Spenderbrennräume bezeichnet werden, in den Frischgasstrang zurückgeführt.
Gemäß der US 2014/0196697 kann das Dedicated-EGR-Verfahren auch derart ausgeführt werden, dass das aus den Spenderbrennräumen stammende Abgas ausschließlich in einen ersten Frischgasteilstrang eingeleitet wird, der an die anderen Brennräume, die auch als Hauptbrennräume bezeichnet werden, angeschlossen ist, während der oder die Spenderbrennräume über einen zweiten Frischgasteilstrang ausschließlich mit Luft als Frischgas versorgt werden. Eine solches Verfahren wird auch als Split-Intake-Dedicated-EGR-Verfahren bezeichnet.
Eine für die Durchführung eines Split-Intake-Dedicated-EGR-Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine ist auch in der US 2017/0074214 A1 offenbart, wobei bei dieser der Frischgasstrang in einen ersten Frischgasteilstrang, der zu den Hauptbrennräumen führt, und einen zweiten Frischgasteilstrang, der zu dem Spenderbrennraum führt, aufgeteilt ist. Das Abgas von dem Spenderbrennraum wird in den ersten Frischgasteilstrang eingeleitet.
Ein Dedicated-EGR-Verfahren ist zudem bei der aus der DE 10 2015 108 996 A1 bekannten Brennkraftmaschine umsetzbar, wobei bei dieser zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Die Abgasturbine eines ersten, relativ großen Abgasturboladers ist in einen ersten Abgasteilstrang, der von den Hauptbrennräumen abgeht, integriert und der dazugehörige Verdichter ist in einen ersten Frischgasteilstrang integriert, der zu allen Brennräumen führt. Die Abgasturbine eines zweiten, relativ kleinen Abgasturboladers ist in einen zweiten Abgasteilstrang, der von dem Spenderbrennraum abgeht, integriert und der dazugehörige Verdichter ist in einen zweiten Frischgasteilstrang integriert, der stromauf des dortigen Verdichters in den ersten Frischgasteilstrang mündet.
Weiterhin offenbart die US 2018/0066610 A1 eine für die Durchführung eines Dedicated-EGR-Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, deren Verdichter seriell in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integriert sind, während die Abgasturbine eines ersten, relativ großen Abgasturboladers in einen ersten Abgasteilstrang, der von den Hauptbrennräumen abgeht, und die Abgasturbine des zweiten, relativ kleinen Abgasturboladers in einen zweiten Abgasteilstrang, der von einem Spenderbrennraum abgeht, integriert sind. Der zweite Abgasteilstrang mündet dabei als Abgasrückführleitung in den Frischgasstrang stromab der beiden Verdichter.
Und schließlich offenbart die US 10,465,636 B2 ein Dedicated-EGR-Verfahren, bei dem der Spenderbrennraum mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, um den Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt des aus diesem Spenderbrennraum stammenden, rückzuführenden Abgases zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhaft mittels eines Dedicated-EGR-Verfahrens betreibbare Brennkraftmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein bei einer solchen Brennkraftmaschine vorteilhaft nutzbarer Abgasturbolader ist Gegenstand des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor umfasst, der zumindest eine (erste) Brennraumbank aufweist, die mindestens einen ersten Brennraum, vorzugsweise mehrere erste Brennräume, und mindestens einen zweiten Brennraum, gegebenenfalls mehrere zweite Brennräume, aufweist. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine einen Frischgasstrang, der zumindest einen (ersten) Verdichter sowie vorzugsweise mindestens eine Drosselvorrichtung, beispielsweise in Form eines Klappenventils, umfasst. Die Brennkraftmaschine weist weiterhin einen Abgasstrang auf, der einen ersten Abgasteilstrang und einen zweiten Abgasteilstrang umfasst, die separiert verlaufen, wobei der erste Abgasteilstrang von dem mindestens einen ersten Brennraum abgeht und zu einer Umgebungsmündung führt (d.h. der erste Abgasteilstrang ist gasführend mit der Umgebungsmündung verbunden), so dass Abgas, das über den ersten Abgasteilstrang geführt wird, über die Umgebungsmündung in die Umgebung abgeführt werden kann. Der erste Abgasteilstrang umfasst mindestens eine erste Abgasturbine und vorzugsweise auch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die weiterhin bevorzugt stromab der ersten Abgasturbine angeordnet ist. Der zweite Abgasteilstrang geht dagegen von dem mindestens einen zweiten Brennraum ab und umfasst zumindest eine zweite Abgasturbine. Zudem weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Abgasrückführleitung auf, die stromab der zweiten Abgasturbine aus dem zweiten Abgasteilstrang abzweigt und die stromauf oder stromab des (ersten) Verdichters in den Frischgasstrang mündet. In die Abgasrückführleitung kann vorzugsweise ein Steuerventil integriert sein, um ein Strömen von Abgas über die Abgasrückführleitung aktiv zu beeinflussen, d.h. um ein Strömen von Abgas über die Abgasrückführleitung bedarfsweise zu verhindern oder, gegebenenfalls in einem variablen Maße, zuzulassen. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Brennkraftmaschine dadurch, dass sowohl die erste Abgasturbine als auch die zweite Abgasturbine drehantreibend mit dem (ersten) Verdichter verbunden sind. Eine solche drehantreibenden Verbindung kann sowohl direkt über eine Welle als auch unter Zwischenschaltung eines beliebig ausgestalteten Getriebes vorgesehen sein. Als „Getriebe“ wird dabei grundsätzlich eine Vorrichtung verstanden, mittels der eine Eingangsleistung über mindestens eine Eingangswelle des Getriebes auf mindestens eine sich von der Eingangswelle unterscheidende Ausgangswelle des Getriebes übertragen wird.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst folglich einen (erfindungsgemäßen) Abgasturbolader, der zumindest einen (ersten) Verdichter sowie eine erste Abgasturbine und eine zweite Abgasturbine aufweist, wobei die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine drehantreibend mit dem (ersten) Verdichter verbunden sind. Die drehantreibende Verbindung der Abgasturbinen mit dem Verdichter kann dabei mindestens ein beliebig ausgestaltetes Getriebe umfassen. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass die drehantreibende Verbindung der ersten Abgasturbine mit dem Verdichter eine andere Übersetzung aufweist als die drehantreibende Verbindung der zweiten Abgasturbine mit dem Verdichter. Das oder die Getriebe können in vorteilhafter Weise auch so ausgestaltet sein, dass die Übersetzung(en) variabel ist/sind. Zudem kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die drehantreibende Verbindung der ersten Abgasturbine mit dem Verdichter und/oder die drehantreibende Verbindung der zweiten Abgasturbine mit dem Verdichter durch die Integration mindestens einer beliebigen, beispielsweise auf einer form-, kraft- und/oder reibschlüssigen Verbindung basierenden Kupplung, beispielsweise einer Magnetkupplung, lösbar ist oder ein definierter, variabler Schlupf für diese Verbindung einstellbar ist.
Eine „Abgasturbine“ umfasst erfindungsgemäß zumindest ein Turbinenlaufrad sowie eine Abgasführung zur Beaufschlagung des Turbinenlaufrads mit Abgas. Unterschiedliche Abgasturbinen umfassen demnach auch unterschiedlichen Turbinenlaufräder sowie unterschiedliche Abgasführungen. Die unterschiedlichen Abgasturbinen können dabei jedoch ein gemeinsames Gehäuse umfassen.
Dementsprechend umfasst ein „Verdichter“ erfindungsgemäß zumindest ein Verdichterlaufrad sowie eine Frischgasführung zur Beaufschlagung des Verdichterlaufrads mit Frischgas. Unterschiedliche Verdichter umfassen demnach auch unterschiedliche Verdichterlaufräder sowie unterschiedliche Frischgasführungen. Die unterschiedlichen Verdichter können dabei jedoch ein gemeinsames Gehäuse umfassen.
Eine Brennraumbank des Verbrennungsmotors einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist durch eine Reihenanordnung der mindestens zwei dazugehörigen Brennräume gekennzeichnet. Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mehrere und insbesondere zwei Brennraumbänke aufweist, wobei dann die zumindest zweite Brennraumbank ebenfalls mindestens einen ersten Brennraum und mindestens einen zweiten Brennraum umfassen kann, sind die Brennräume der einzelnen Brennraumbänke nicht in Reihe mit den Brennräumen der anderen oder jeder weiteren Brennraumbank angeordnet. Gleichzeitig wirken die Kolben des Verbrennungsmotors, die die Brennräume mehrerer Brennraumbänke (mit-)begrenzen, auf dieselbe Abtriebswelle (Kurbelwelle). Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die mehrere und dann vorzugsweise zwei Brennraumbänke aufweist, kann insbesondere eine V- (einschließlich Doppel-V) oder eine W-Anordnung der Brennraumbänke aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht einen vorteilhaften Betrieb gemäß einem Dedicated-EGR-Verfahren, wobei insbesondere die Abgasenthalpie des gesamten von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgases, d.h. auch das aus dem mindestens einen zweiten Brennraum, der als Spenderbrennraum vorgesehen ist, stammende Abgas, für eine Verdichtung von Frischgas, das dem Verbrennungsmotor zugeführt werden soll, genutzt werden kann. Dabei wird durch den Antrieb des (ersten) Verdichters mittels sowohl der ersten als auch der zweiten Abgasturbine eine besonders gleichmäßige Verdichtung von Frischgas realisiert. Gemäß einem Dedicated-EGR-Verfahren betreibbare Brennkraftmaschinen gemäß dem Stand der Technik können dagegen den Nachteil aufweisen, dass durch die Aufteilung der Gesamtanzahl an Brennräumen in erste und zweite Brennräume und die Zuordnung dieser Teilmengen der Brennräume zu verschiedenen Abgasturboladern oder, bei einer direkten Rückführung des Abgases aus dem oder den zweiten Brennräumen, der Zuordnung eines Abgasturboladers zu lediglich den ersten Brennräumen, der Abgasturbolader oder die einzelnen Abgasturbolader mit zeitlich relativ weit auseinander liegenden Abgasstößen beaufschlagt werden, was zu entsprechend stark schwankenden Verdichtungsleistungen des/der Verdichter(s) dieses/dieser Abgasturbolader(s) führt. Dieser Nachteil kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine vermieden oder zumindest abgeschwächt werden. Zwar werden bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch die mindestens zwei Abgasturbinen mit zeitlich relativ weit auseinander liegenden Abgasstößen beaufschlagt; durch die Antriebsverbindung dieser beiden Abgasturbinen jedoch mit demselben (ersten) Verdichter folgt daraus kein Nachteil hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Verdichtungsleistung dieses Verdichters.
Weiterhin wird bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine das aus dem mindestens einen zweiten Brennraum stammende Abgas über die Abgasrückführleitung, die aufgrund der Abzweigung stromab der zweiten Abgasturbine als Niederdruck-Abgasrückführleitung ausgebildet ist, zurückgeführt, wodurch folglich eine sogenannte Niederdruck-Abgasrückführung realisiert wird. Dies kann sich vorteilhaft auf insbesondere auch den Kühlleistungsbedarf der Brennkraftmaschine auswirken, weil das über die Abgasrückführleitung geführte Abgas bereits zuvor in der zweiten Abgasturbine entspannt wurde und dementsprechend eine nur noch relativ geringe Abgastemperatur aufweist.
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 daraus, d.h. z.B. um einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung, handeln. Der Verbrennungsmotor kann dabei mit Flüssigkraftstoff (insbesondere Diesel oder Benzin) und/oder mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, Wasserstoff, LNG oder LPG) betrieben werden beziehungsweise betreibbar sein.
Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mehrere Brennraumbänke aufweist, kann vorgesehen sein, dass der erste Abgasteilstrang jeweils von den ersten Brennräumen der mehreren Brennraumbänke abgeht und der zweite Abgasteilstrang jeweils von den zweiten Brennräumen der mehreren Brennraumbänke abgeht.
Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass der Abgasstrang für jede der Brennraumbänke einen ersten Abgasteilstrang und einen zweiten Abgasteilstrang umfasst, wobei der erste Abgasteilstrang von dem mindestens einen ersten Brennraum der jeweiligen Brennraumbank abgeht und zu einer Umgebungsmündung führt sowie eine erste, der jeweiligen Brennraumbank zugeordnete Abgasturbine umfasst. Der zweite Abgasteilstrang geht dagegen von dem mindestens einen zweiten Brennraum der jeweiligen Brennraumbank ab und umfasst eine zweite, der jeweiligen Brennraumbank zugeordnete Abgasturbine. Weiterhin kann dann auch jeweils, d.h. für jede der Brennraumbänke, eine Abgasrückführleitung vorgesehen sein, die stromab der jeweiligen zweiten Abgasturbine aus dem jeweiligen zweiten Abgasteilstrang abzweigt und die in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine mündet.
Dabei kann die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine der ersten Brennraumbank drehantreibend mit dem (ersten) Verdichter verbunden sein, und die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine der zweiten Brennraumbank kann drehantreibend mit einem zweiten Verdichter verbunden sein.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann grundsätzlich einen zweiten Verdichter umfassen, der in den Frischgasstrang integriert ist. Dabei können diese zwei Verdichter seriell oder parallel in den Frischgasstrang integriert sein. Bei einer seriellen Anordnung der zwei Verdichter durchströmt Frischgas zunächst einen der Verdichter und anschließend vollständig oder zumindest teilweise den anderen der Verdichter. Bei einer solchen seriellen Anordnung der mindestens zwei Verdichter kann vorgesehen sein, dass der erste Verdichter stromauf des zweiten Verdichters oder der zweite Verdichter stromauf des ersten Verdichters angeordnet ist. Bei einer parallelen Anordnung der zwei Verdichter durchströmen Teilmengen des Frischgases jeweils lediglich einen der Verdichter, ohne auch durch den jeweils anderen Verdichter zu strömen. Durch eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Verdichtern kann sich eine vorteilhafte Verdichtung von Frischgas, das dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, ergeben. Dies gilt insbesondere, wenn eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mindestens zwei Brennraumbänke und/oder zudem noch mindestens eine dritte Abgasturbine aufweist. Dabei kann die dritte Abgasturbine drehantreibend mit dem ersten Verdichter und/oder dem zweiten Verdichter verbunden sein.
Sofern eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen ersten und einen zweiten Verdichter umfasst, können diese vorzugsweise über eine Welle direkt verbunden sein.
Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader kann dementsprechend derart ausgestaltet sein, dass die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine auch drehantreibend mit dem zweiten Verdichter verbunden sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader eine dritte Abgasturbine umfasst, die drehantreibend mit dem ersten Verdichter und/oder dem zweiten Verdichter verbunden ist.
Der Frischgasstrang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann weiterhin bevorzugt einen ersten Frischgasteilstrang und einen zweiten Frischgasteilstrang umfassen, die separiert verlaufen, wobei der erste Frischgasteilstrang (ausschließlich) zu dem oder den ersten Brennräumen der ersten Brennraumbank und/oder der zweiten Brennraumbank (und nicht zu dem oder den zweiten Brennräumen) führt und der zweite Frischgasteilstrang (ausschließlich) zu dem oder den zweiten Brennräumen der ersten Brennraumbank und/oder der zweiten Brennraumbank (und nicht zu dem oder den ersten Brennräumen) führt. Eine solche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht die Umsetzung eines Split-Intake-Dedicated-EGR-Verfahrens. Die Abgasrückführleitung kann dabei vorzugsweise in den ersten Frischgasteilstrang münden.
Gemäß einer Ausgestaltung einer solchen erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Frischgasteilsträngen kann vorgesehen sein, dass der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter in einen Abschnitt des Frischgasstrangs, der stromauf einer Verzweigung der Frischgasteilstränge angeordnet ist, integriert ist/sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter in den ersten Frischgasteilstrang integriert ist/sind. Dabei kann sowohl eine serielle als auch eine parallele Anordnung der Verdichter vorgesehen sein. Dadurch kann der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter für eine Verdichtung von Frischgas genutzt werden, das sowohl den ersten Brennräumen als auch den zweiten Brennräumen zugeführt wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erste Verdichter in den ersten Frischgasteilstrang und der zweite Verdichter in den zweite Frischgasteilstrang integriert ist. Die Verdichter werden dadurch stets mit lediglich einer Teilmenge des den Brennräumen insgesamt zuzuführenden Frischgasmassenstroms beaufschlagt, wodurch diese hinsichtlich des maximal durch diese zu führenden Frischgasmassenstroms relativ klein dimensioniert werden können. Dies ermöglicht die Realisierung einer relativ geringen Massenträgheit der dazugehörigen Verdichterlaufräder, was sich vorteilhaft auf das Ansprechverhalten der Verdichter und damit der Brennkraftmaschine auswirken kann.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann weiterhin bevorzugt eine in den (jeweiligen) zweiten Abgasteilstrang integrierte Modifiziervorrichtung zur chemischen Modifikation des darin geführten Abgases, beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion mit dem Ziel, Wasserstoff in dem Abgas zu erzeugen beziehungsweise den Anteil an Wasserstoff in dem Abgas zu erhöhen, umfassen. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, zumindest einen der zweiten Brennräume im Betrieb der Brennkraftmaschine zumindest zeitweise mit einem nicht-stöchiometrischen und insbesondere unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu betreiben und dafür die Brennkraftmaschine und insbesondere den Verbrennungsmotor entsprechend auszugestalten. Eine solche Beeinflussung des aus mindestens einem zweiten Brennraum stammenden Abgases kann sich vorteilhaft auf den Betrieb des Verbrennungsmotors auswirken.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der erste Verdichter größer als der zweite Verdichter und/oder die erste Abgasturbine größer als die zweite Abgasturbine ausgebildet ist/sind. Dabei wird unter einer „größeren Ausgestaltung“ eine Dimensionierung für einen größeren maximalen Gasmassenstrom, der durch den ersten Verdichter oder die erste Abgasturbine im Vergleich zu dem zweiten Verdichter oder der zweiten Abgasturbine führbar ist, verstanden. Eine relativ große Ausgestaltung des ersten Verdichters und/oder der ersten Abgasturbine kann dabei vorteilhaft sein, um auch bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Nennleistung einen möglichst großen Anteil der Enthalpie des durch die erste Abgasturbine geführten Abgases zu nutzen und/oder um eine möglichst vorteilhafte Verdichtung eines relativ großen Frischgasmassenstroms mittels des ersten Verdichters zu realisieren. Dadurch sind die Verdichter und/oder die Abgasturbinen vorteilhaft an die vorgesehene Zuordnung zu den ersten oder zweiten Brennräumen angepasst, was insbesondere gilt, wenn, wie dies grundsätzlich bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein kann, die Brennraumbank oder die Brennraumbänke (jeweils) im Vergleich zu dem oder den zweiten Brennräumen eine größere Anzahl erster Brennräume aufweist/aufweisen, was sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken kann.
Gemäß einer Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der zweite Abgasteilstrang (jeweils) stromab der ersten Abgasrückführleitung oder in der Abzweigung der ersten Abgasrückführleitung verschlossen endet (wobei dieser Verschluss nicht zu öffnen ist). Abgas, das über den zweiten Abgasteilstrang geführt wird, wird folglich stets vollständig in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine zurückgeführt. In diesem Fall können trotz geltender Schadstoffemissionsvorgaben die zweiten Brennräume kennfeldweit mit einem unterstöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben werden, so dass, beispielsweise bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als Ottomotor, die Abgastemperatur dieser Brennräume kennfeldweit (dauerhaft) auf einem für einen Dieselmotor ähnlichen, relativ niedrigen Niveau gehalten werden kann, was die Möglichkeit gibt, das mindestens eine Turbinenrad, das in dem mindestens einen zweiten Abgasteilstrang angeordnet ist, aus einem relativ kostengünstigen Werkstoff zu fertigen. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der zweite Abgasteilstrang (jeweils) stromab der ersten Abgasrückführleitung zu einer Umgebungsmündung führt, die eine andere Umgebungsmündung als die dem ersten Abgasteilstrang zugeordnete Umgebungsmündung oder dieselbe Umgebungsmündung sein kann. Dabei kann vorzugsweise ein Steuerventil stromab der Abzweigung der Abgasrückführleitung in den zweiten Abgasteilstrang integriert sein. Eine solche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglicht, bedarfsweise beziehungsweise temporär Abgas, das aus dem oder den zweiten Brennräumen stammt, zumindest teilweise auch in die Umgebung abzuführen. Um die dabei auftretenden Schadstoffemissionen gering zu halten, sollte weiterhin bevorzugt stromab zumindest der Abzweigung der Abgasrückführleitung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung in den Abgasstrang integriert sein. Diese Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann eine andere als die dem ersten Abgasteilstrang zugeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung oder dieselbe Abgasnachbehandlungsvorrichtung sein.
Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine kann insbesondere bei einem Hubraum des Verbrennungsmotors, der mindestens 2000 cm³ oder mindestens 2500 cm³ oder mindestens 3000 cm³ beträgt, vorteilhaft sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, jeweils in vereinfachter Darstellung:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
3: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform;
4: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer vierten Ausgestaltungsform;
5: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer fünften Ausgestaltungsform;
6: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer sechsten Ausgestaltungsform;
7: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer siebten Ausgestaltungsform;
8: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer achten Ausgestaltungsform;
9: Verläufe von Abgasmassenströmen ṁ_A im Betrieb einer Brennkraftmaschine mit vier Brennräumen 4; und
10: eine während eines Betriebs einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umsetzbare Kupplungssteuerung.

Die 1 bis 8 zeigen erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen.
Die Brennkraftmaschinen weisen jeweils einen Verbrennungsmotor 1 auf, wobei die Verbrennungsmotoren 1 der Brennkraftmaschinen gemäß den 1, 2 und 7 jeweils lediglich eine Brennraumbank 2 umfassen, während die Verbrennungsmotoren 1 der Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 6 und 8 jeweils eine erste Brennraumbank 2a sowie eine zweite Brennraumbank 2b umfassen.
In jeder der Brennraumbänke 2a, 2b sind eine Mehrzahl von Brennräumen 4, beispielsweise drei (vgl. 3 bis 6), vier (vgl. 1, 2 und 8) oder sechs vgl. 7) Brennräume 4, ausgebildet. Die Brennräume 4 sind von Zylinderöffnungen 5, die in einem Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 1 ausgebildet sind, von in den Zylinderöffnungen 5 beweglich geführten Kolben 6 und von einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) begrenzt. Im Betrieb der Brennkraftmaschine können in den Brennräumen 4 Gemischmengen verbrannt werden, wobei die so erzeugten Druckerhöhungen dazu genutzt werden, die Kolben 6 zu bewegen. Die Bewegungen der Kolben 6 werden über Pleuel (nicht dargestellt) in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle (nicht dargestellt), bei den Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennraumbänken 2 gemäß den 3 bis 6 und 8 einer gemeinsamen Kurbelwelle, gewandelt, wobei die Führung der Kolben 6 über die Pleuel mittels der Kurbelwelle gleichzeitig zu einer zyklischen Hin-und-Her-Bewegung der Kolben 6 führt.
Die zur Verbrennung in den Brennräumen 4 vorgesehenen Gemischmengen umfassen einerseits Frischgas, das vollständig oder teilweise aus Umgebungsluft besteht, die aus der Umgebung angesaugt wird, wobei das Frischgas dem jeweiligen Verbrennungsmotor 1 über einen Frischgasstrang 7 zugeführt wird.
Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 bis 6 und 8 umfasst der Frischgasstrang 7, jeweils in einem Endabschnitt, einen ersten Frischgasteilstrang 7a und einen zweiten Frischgasteilstrang 7b. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 und 4 führt der erste Frischgasteilstrang 7a zu einer Mehrzahl erster Brennräume 4a der Brennraumbank (vgl. 2) oder jeder der Brennraumbänke 2a, 2b (vgl. 4), wohingegen der zweite Frischgasteilstrang 7b zu einem oder mehreren zweiten Brennräumen 4b der Brennraumbank 2 (vgl. 2) oder jeder der Brennraumbänke 2a, 2b (vgl. 4) führt. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 3, 5, 6 und 8 führt der erste Frischgasteilstrang 7a dagegen zu sämtlichen Brennräumen 4a, 4b der ersten (2a) der Brennraumbänke 2 und der zweite Frischgasteilstrang 7b führt zu sämtlichen Brennräumen 4a, 4b der zweiten (2b) der Brennraumbänke 2.
Der jeweilige Frischgasstrang 7 der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 7 weist dagegen keine Frischgasteilstränge 7a, 7b auf, die, separiert voneinander, zu den dortigen Brennräumen 4 führen. Demnach werden sämtliche Brennräume 4 im Betrieb dieser Brennkraftmaschinen gleichartig mit Frischgas versorgt. Dementsprechend umfassen die Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 7 jeweils auch nur eine Drosselvorrichtung 8. Lediglich eine Drosselvorrichtung 8 weisen auch die Brennkraftmaschinen gemäß den 3, 5 und 6 auf, die demnach stromauf der Verzweigung des jeweiligen Frischgasstrangs 7 in die Frischgasteilstränge 7a, 7b angeordnet ist. Dadurch kann ebenfalls nur eine gleichartige Beeinflussung beziehungsweise Mengenstromregelung der Frischgasströmungen, die den verschiedenen Brennraumbänken 2a, 2b dieser Brennkraftmaschinen zugeführt werden, erfolgen. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2, 4 und 8 ist dagegen jeweils eine Drosselvorrichtung 8 in die Frischgasteilstränge 7a, 7b integriert, so dass die Frischgasströmungen, die bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 und 4 den ersten Brennräumen 4a einerseits und den zweiten Brennräumen 4b andererseits zugeführt werden, individuell beeinflusst werden können. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 8 können dagegen die Frischgasströmungen, die allen Brennräumen 4 der ersten Brennraumbank 2a einerseits und allen Brennräumen 4 der zweiten Brennraumbank 2b andererseits zugeführt werden, individuell beeinflusst werden.
Die zur Verbrennung in den Brennräumen 4 vorgesehenen Gemischmengen umfassen weiterhin Kraftstoff, der direkt mittels Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in die Brennräume 4 und/oder indirekt mittels Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) in Einlasskanäle (nicht dargestellt) des jeweiligen Verbrennungsmotors 1 eingebracht und dort zusammen mit dem Frischgas verbrannt werden kann. Das bei der Verbrennung der Frischgas-Kraftstoff-Gemischmengen in den Brennräumen 4 entstandene Abgas wird über einen Abgasstrang 9 abgeführt. Der Abgasstrang 9 umfasst bei jeder der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 7 einen ersten Abgasteilstrang 9a und einen zweiten Abgasteilstrang 9b, wobei der erste Abgasteilstrang 9a (ausschließlich) von den ersten Brennräumen 4a abgeht und der zweite Abgasteilstrang 9b (ausschließlich) von dem oder den zweiten Brennräumen 4b jeder der Brennraumbänke 2a, 2b abgeht. Bei den Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennraumbänken gemäß den 3 bis 6 sind dafür sowohl der erste Abgasteilstrang 9a als auch der zweite Abgasteilstrang 9b in einem Anfangsabschnitt verzweigt ausgestaltet. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 8, die ebenfalls zwei Brennraumbänke 2a, 2b umfasst, weist der Abgasstrang 9 für jede der Brennraumbänke 2a, 2b einen ersten Abgasteilstrang 9a und einen zweiten Abgasteilstrang 9b auf.
In jeden der ersten Abgasteilstränge 9a ist jeweils zumindest eine erste Abgasturbine 10a und in jeden der zweiten Abgasteilstränge 9b ist jeweils eine zweite Abgasturbine 10b integriert. Die Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 umfassen somit insgesamt zwei Abgasturbinen 10, während die Brennkraftmaschine gemäß der 8 vier Abgasturbinen 10, d.h. jeweils eine erste Abgasturbine 10a und eine zweite Abgasturbine 10b je Brennraumbank 2, umfasst. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 7, die ebenfalls mehrere Brennraumbänke 2 aufweisen, ist eine dritte Abgasturbine 10c vorgesehen, wobei die erste Abgasturbine 10a und die dritte Abgasturbine 10c in paralleler Anordnung in den ersten Abgasteilstrang 9a, konkret in den Bereich des verzweigten Anfangsabschnitts, integriert sind.
In den Abgasstrang 9 jeder der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 ist mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 12 eines Abgasnachbehandlungssystems integriert. Diese Abgasnachbehandlungsvorrichtung 12 oder zumindest eine der Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 12 ist dabei jeweils in einem Endabschnitt 9c angeordnet, in dem der Abgasstrang nicht in den ersten Abgasteilstrang 9a und den zweiten Abgasteilstrang 9b separiert ist. Es ist ebenfalls möglich, das Abgasnachbehandlungssystem vor der Zusammenführung der Abgasteilstränge 9a und 9b zu platzieren und diese beiden Abgasteilstränge gegebenenfalls auch nicht zusammenzuführen. Weiterhin kann das Abgasnachbehandlungssystem oder zumindest eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung davon, beispielsweise ein Partikelfilter, vor dem Abzweig einer Abgasrückführleitung 13 angeordnet sein, was sich beispielsweise bezüglich einer Verschmutzung der Abgasrückführleitung 13 sowie in diese Abgasrückführleitung integrierter Komponenten positiv auswirken kann.
Die Brennkraftmaschinen umfassen weiterhin jeweils eine solche Abgasrückführleitung 13 (bei der Brennkraftmaschine gemäß der 8 jeweils eine Abgasrückführleitung 13 je Brennraumbank 2), die stromab der zweiten Abgasturbine 10b aus dem jeweiligen zweiten Abgasteilstrang 9b abzweigt und die in den jeweiligen Frischgasstrang 7 mündet. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 4 mündet die Abgasrückführleitung 13 konkret in den ersten Frischgasteilstrang 7a. Die Abgasrückführleitung 13 der Brennkraftmaschine gemäß der 6 umfasst zwei parallel verlaufende Stränge, die jeweils in einen von zwei parallel verlaufenden Abschnitten des Frischgasstrangs 7, die stromauf der Verzweigung in die Frischgasteilstränge 7a, 7b angeordnet sind, münden.
Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der 1 bis 8 sind die Leitungen des Frischgasstrangs 7 dicker als diejenigen des Abgasstrangs 9 und der Abgasrückführleitungen 13 gezeichnet. Weiterhin sind der zweite Frischgasteilstrang 7b, soweit vorhanden und soweit dieser Frischgas ausschließlich zu dem einen oder mehreren zweiten Brennräumen 4b führt, der zweite Abgasteilstrang 9b und die Abgasrückführleitung 13 gestrichelt gezeichnet.
In den zweiten Abgasteilstrang 9b jeder der Brennkraftmaschinen kann weiterhin mindestens eine Modifiziervorrichtung 15 zur chemischen Modifikation des darin geführten Abgases, beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion, integriert sein. Die Modifiziervorrichtung 15 kann jeweils stromauf der zweiten Abgasturbine 10b angeordnet sein. Ebenso kann diese stromab der zweiten Abgasturbine 10b, dann zudem stromauf der Abzweigung der Abgasrückführleitung 13 oder in der Abgasrückführleitung 13 selbst angeordnet sein.
In den Frischgasstrang 7 der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 ist jeweils zumindest ein erster Verdichter 16a und bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 4 bis 6 und 8 zudem ein zweiter Verdichter 16b integriert.
Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 5 sind die Verdichter 16a, 16b seriell in dem Frischgasstrang 7 angeordnet, wobei beide Verdichter 16a, 16b stromauf der Verzeigung des Frischgasstrangs 7 in die Frischgasteilstränge 7a, 7b angeordnet sind. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 4 und 8 ist der erste Verdichter 16a in den ersten Frischgasteilstrang 7a und der zweite Verdichter 16b in den zweiten Frischgasteilstrang 7b integriert, wodurch sich eine parallele Anordnung der Verdichter 16a, 16b ergibt. Eine solche parallele Anordnung ist auch bei der Brennkraftmaschine gemäß der 6 vorgesehen, wobei die Verdichter 16a, 16b in die parallel verlaufenden Abschnitte des Frischgasstrangs 7, die stromauf der Verzweigung in die Frischgasteilstränge 7a, 7b angeordnet sind, integriert sind.
Jeweils ein (aktiv ansteuerbares) Steuerventil 14 ist in die Abgasrückführleitung 13 und in einen Abschnitt des zweiten Abgasteilstrangs 9b, der stromab der Abzweigung der Abgasrückführleitung 13 gelegen ist, so dass ein über die jeweilige Leitung zu führender Gasmassenstrom mittels des jeweiligen Steuerventils 14 beeinflusst beziehungsweise verändert und insbesondere auch bis auf null reduziert werden kann.
Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 sind jeweils die erste Abgasturbine 10a und die zweite Abgasturbine 10b mit einem Verdichter 16 über ein beliebig ausgestaltetes Getriebe 11 oder mehrere Getriebe 11 drehantreibend verbunden. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 8, die für jede der Brennraumbänke 2a, 2b eine erste Abgasturbine 10a und eine zweite Abgasturbine 10b umfasst, sind die Abgasturbinen 10 jeder Brennraumbank 2a, 2b mit jeweils einem Verdichter 16a, 16b drehantreibend verbunden. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 3 und 7 ist jeweils der (und einzige) Verdichter 16 ergänzend über ein Getriebe 11 drehangetrieben mit der dritten Abgasturbine 10c verbunden. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 4 bis 6, die ebenfalls drei Abgasturbinen 10 umfassen, sind diese drehantreibend mit den zwei vorhandenen Verdichtern 16 verbunden. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 4 sind die drei Abgasturbinen 10 dabei drehantreibend mit jeweils beiden Verdichtern 16 verbunden, während bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 5 und 6 die erste Abgasturbine 10a und die zweite Abgasturbine 10b drehantreibend mit dem ersten Verdichter 16a und die dritte Abgasturbine 10c drehantreibend mit dem zweiten Verdichter 16b verbunden ist.
Die in den 1 bis 8 dargestellten Brennkraftmaschinen können jeweils gemäß einem sogenannten Dedicated-EGR-Verfahren betrieben werden, wobei dieses Verfahren bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 2 und 4 aufgrund der Separierung des Frischgasstrangs 7 in die Frischgasteilstränge 7a, 7b, die Frischgas zu entweder den ersten Brennräumen 4a oder den zweiten Brennräumen 4b führen, konkret einem sogenannten Split-Intake-Dedicated-EGR-Verfahren entspricht. Sowohl bei einem Dedicated-EGR-Verfahren als auch bei einem (Split-Intake-)Dedicated-EGR-Verfahren wird das gesamte Abgas, das in dem oder den zweiten Brennräumen 4b des Verbrennungsmotors 1 erzeugt wurde, über die Abgasrückführleitung 13 in den Frischgasstrang 7 eingeleitet. Dies ermöglicht, das rückzuführende Abgas mittels der Modifiziervorrichtung(en) 15 chemisch zu modifizieren, beispielsweise durch eine Anreicherung mit Wasserstoff, was sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten der jeweiligen Brennkraftmaschine auswirken kann, ohne dass damit ein negativer Einfluss auf das Schadstoffemissionsverhalten der Brennkraftmaschine einhergehen würde.
Die Ausgestaltungen der Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 gewährleisten dabei eine vorteilhafte, weil gleichmäßige Verdichtung des Frischgases, da zumindest jeweils zwei, teilweise drei Abgasturbinen 10 mit einem Verdichter 16, konkret dem ersten Verdichter 16a, verbunden sind, wodurch sich relativ große zeitliche Abstände zwischen aufeinander folgenden Beaufschlagungen der Abgasturbinen 10 mit Abgasstößen, die aus der reduzierten Anzahl an Brennräumen 4, die abgasleitend mit den einzelnen Abgasturbinen 10 verbunden sind, resultieren, nicht negativ hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Verlaufs der Verdichtungsleistung für zumindest diesen ersten Verdichter 16a auswirken.
Die in den 1 bis 8 dargestellten Brennkraftmaschinen weisen weiterhin den Vorteil auf, dass die Abgasenthalpie des gesamten von dem jeweiligen Verbrennungsmotor 1 erzeugten Abgases für eine Verdichtung von Frischgas genutzt wird. Zudem weist ein über die Abgasrückführleitung 13 geführtes Abgas aufgrund der bereits erfolgten Entspannung in der jeweiligen zweiten Abgasturbine 10b eine relativ geringe Abgastemperatur auf, was sich vorteilhaft auf u.a. den Kühlleistungsbedarf der jeweiligen Brennkraftmaschine auswirken kann. Dies ist darin begründet, dass es vorteilhaft sein kann, das rückgeführte Abgas mittels eines in die jeweilige Abgasrückführleitung 13 integrierten Abgaskühlers (nicht dargestellt) zu kühlen, um einen negativen Einfluss zu heißen rückgeführten Abgases auf die Lebensdauer einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine und/oder auf das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Der Wärmeeintrag in ein jeweiliges Kühlsystem der Brennkraftmaschinen über einen solchen Abgaskühler ist folglich aufgrund des bereits relativ kalten Abgases relativ gering.
Die Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 ermöglichen auch einen konventionellen Betrieb, bei dem nicht das gesamte oder kein Abgas, das in dem oder den zweiten Brennräumen 4b des Verbrennungsmotors 1 erzeugt wurde, über die Abgasrückführleitung 13 in den Frischgasstrang 7 zurückgeführt wird. Vielmehr kann das über den zweiten Abgasteilstrang 9b geführte Abgas zumindest teilweise in einem Endabschnitt 9c des jeweiligen Abgasstrangs 9 mit dem Abgas, das über den ersten Abgasteilstrang 9a geführt wurde, vermischt und dieses Abgasgemisch über eine/die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 12 und eine Umgebungsmündung 3 des Abgasstrangs 9 abgeführt werden. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, den oder die zweiten Brennräume 4b mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis zu betreiben, um eine möglichst optimale Schadstoffreduktion mittels der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 12 zu erreichen. Ein solcher konventioneller Betrieb der Brennkraftmaschinen kann beispielsweise nach einem Kaltstart sinnvoll sein, um eine möglichst schnelle Erwärmung bis zum Erreichen des Betriebstemperaturbereichs zu realisieren. Die Brennkraftmaschinen können aber auch derart ausgestaltet sein, dass der jeweilige zweite Abgasteilstrang 9b (unmittelbar) stromab der Abzweigung der Abgasrückführleitung 13 endet. Abgas, das über die zweite Abgasrückführleitung 9b geführt wird, wird dann immer (vollständig) in den Frischgasstrang 7 der jeweiligen Brennkraftmaschine eingeleitet.
Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 8 können sämtliche Abgasturbinen 10 und Verdichter 16 ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Grundsätzlich können die Abgasturbinen 10 und Verdichter 16 aber in beliebiger Konstellation gemeinsame und/oder separate Gehäuse aufweisen. Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 8 kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass die Abgasturbinen 10 und der Verdichter 16, die jeweils den verschiedenen Brennraumbänken 2a, 2b zugeordnet sind, entsprechend dieser Zuordnung jeweils ein gemeinsamen Gehäuse aufweisen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Anzahl erster Brennräume 4a des Verbrennungsmotors 1 größer als die Anzahl zweiter Brennräume 4b ist. Die während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 bereitgestellten Massen der Abgasstöße pro Brennraum 4 sind zwar annähernd gleich, unabhängig davon, ob es sich um erste Brennräume 4a oder zweite Brennräume 4b handelt, jedoch treten die Abgasstöße der ersten Brennräume 4a aufgrund einer höheren Anzahl häufiger als die Abgasstöße der zweiten Brennräume 4b auf. Es kann daher sinnvoll sein, die den zweiten Brennräumen 4b zugeordneten Abgasturbinen 16b kleiner auszulegen, da das jeweils zugehörige Turbinenrad während der relativ langen Phase zwischen zwei Abgasstößen relativ stark in der Drehzahl einbricht und daher ein relativ geringes Massenträgheitsmoment für einen schnellen Hochlauf aufweisen sollte. Eine solche relativ kleine Auslegung kann auch relativ kleine Leitungsquerschnitte vor der jeweiligen Abgasturbine 16b umfassen, wodurch die Abgasstöße zeitlich auseinandergezogen werden, d.h. der das Turbinenrad in Drehung versetzende Massenstrom wird geringer. Dieses Verhalten verdeutlicht das Diagramm der 9, in dem der prozentuale Verlauf (über dem Kurbelwellenwinkel a) des Abgasmassenstroms ṁ_A, bezogen auf das Maximum, für eine Brennkraftmaschine mit vier Brennräumen 4 dargestellt ist, von denen drei erste Brennräume 4a (durchgezogene Linienführung) sind und der vierte ein zweiter Brennraum 4b (gestrichelte Linienführung) 4b ist. Um ein mit zumindest sowohl einer ersten Abgasturbine 10a als auch mit einer zweiten Abgasturbine 10b drehangetrieben verbundenen Verdichter 16 möglichst gleichmäßig anzutreiben, kann es sinnvoll sein, unterschiedliche Drehzahlen der beiden Abgasturbinen 10 durch unterschiedliche Übersetzungen zwischen den einzelnen Abgasturbinen 10 und dem Verdichter 16 auszugleichen.
Insbesondere dann, wenn die Anzahl zweiter Brennräume 4b des Verbrennungsmotors 1 kleiner als die Anzahl erster Brennräume 4a ist, beispielsweise wenn lediglich ein zweiter Brennraum 4b oder zwei zweite Brennräume 4b je Brennraumbank 2 vorgesehen sind, kann es vorteilhaft sein, dem oder den zweiten Brennräumen 4b des gesamten Verbrennungsmotors 1 lediglich eine Abgasturbine 16 zuzuordnen, so dass das gesamte Abgas, das aus dem oder den zweiten Brennräumen 4b stammt, über lediglich diese eine Abgasturbine 16 geführt wird. Dies ist bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 1 bis 7 vorgesehen. Dasselbe kann für den oder die ersten Brennräume 4a vorgesehen sein, wobei es ebenfalls sinnvoll sein kann, bei mehreren und beispielsweise mehr als drei ersten Brennräumen 4a je Brennraumbank 2 diese Brennräume 4a in Gruppen zu unterteilen, denen dann jeweils eine Abgasturbine 10 zugeordnet ist. Dies ist bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 7 vorgesehen, die jeweils insgesamt sechs Brennräume 4 aufweisen. Bei den Brennkraftmaschinen gemäß den 3 bis 6, die eine V-Anordnung der Brennräume 4 aufweisen, ist dabei eine Zuordnung der jeweils zwei ersten Brennräume 4a je Brennraumbank 2a, 2b zu jeweils einer Abgasturbine 10 vorgesehen, während bei der Brennkraftmaschine gemäß der 7, die insgesamt sechs Brennräume 4 in einer Reihenanordnung umfasst, die fünf ersten Brennräume 4a in zwei (ungleich große) Gruppen unterteilt sind, denen jeweils eine Abgasturbine 10 zugeordnet ist.
Bei der in der 8 dargestellte Brennkraftmaschine, die insgesamt acht Brennräume 4 in einer V-Anordnung aufweist, entspricht die Zuordnung der Abgasturbinen 10 und der Verdichter 16 grundsätzlich einer verdoppelten Zuordnung, wie sie für eine Brennkraftmaschine mit insgesamt vier Brennräumen 4 in Reihenanordnung gemäß beispielsweise der 1 vorgesehen sein kann. Demnach ist den beispielsweise drei ersten Brennräumen 4a je Brennraumbank 2 eine erste Abgasturbine 10a der Brennraumbank 2 und dem beispielsweise einen zweiten Brennraum 4b je Brennraumbank 2 eine zweite Abgasturbine 10b der Brennraumbank 2 zugeordnet. Insgesamt weist die Brennkraftmaschine gemäß der 8 demnach vier Abgasturbinen 10 (zwei erste Abgasturbinen 10a und zwei zweite Abgasturbinen 10b) sowie zwei Verdichter 16 auf.
In die drehantreibenden Verbindungen der einzelnen Abgasturbinen 10 mit dem oder den Verdichtern 16 können eine oder mehrere Kupplungen (nicht dargestellt) integriert sein, um zumindest einzelne der drehantreibenden Verbindungen bedarfsweise lösen zu können oder um einen definierten Kupplungsschlupf einzustellen. In diesem Falle kann eine Steuerungsfunktion in einer Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschinen vorgesehen sein, die in Abhängigkeit möglicher Drehzahlunterschiede von zumindest zwei Abgasturbinen 10, ein Lösen oder Schließen der drehantreibenden Verbindungen dieser Abgasturbinen mit einem oder mehreren der Verdichter 16 durch eine entsprechende Betätigung der Kupplungen bewirkt und dabei gegebenenfalls, durch ein Einstellen eines definierten Kupplungsschlupfs, eine an die jeweilige Situation angepasste Veränderung der Übersetzung in zumindest einer der drehantreibenden Verbindungen vornimmt. Dazu können die Drehzahlen der Abgasturbinen 10 und des Verdichters 16 oder der Verdichter 16 mittels Drehzahlsensoren (nicht dargestellt) bestimmt und an die Steuerungsvorrichtung übermittelt werden. Dann kann die Steuerungsvorrichtung auf Basis von zu- und abnehmenden Drehzahlen den Zeitpunkt des Lösens oder Schließens wählen und Aktoren derart ansteuern, dass ein Lösen oder Schließen zum gewünschten Zeitpunkt erfolgt. Für ein Lösen und Schließen kann es aus Akustik- und Komfortgründen zusätzlich vorteilhaft sein, eine Drehzahlsynchronisation auf geeignete, aus dem Stand der Technik bekannte Weise herzustellen. Ein solches Vorgehen ist in der 10 gezeigt. Dabei steht die Abkürzung V für Verdichter, KT für die/eine in den/einen ersten Abgasteilstrang integrierte erste Abgasturbine und ST für die/eine in den/einen zweiten Abgasteilstrang integrierte zweite Abgasturbine einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Brennraumbank
2a: erste Brennraumbank
2b: zweite Brennraumbank
3: Umgebungsmündung des Abgasstrangs
4: Brennraum
4a: erster Brennraum
4b: zweiter Brennraum
5: Zylinderöffnung
6: Kolben
7: Frischgasstrang
7a: erster Frischgasteilstrang
7b: zweiter Frischgasteilstrang
8: Drosselvorrichtung
9: Abgasstrang
9a: erster Abgasteilstrang
9b: zweiter Abgasteilstrang
9c: Endabschnitt des Abgasstrangs
10: Abgasturbine
10a: erste Abgasturbine
10b: zweite Abgasturbine
10c: dritte Abgasturbine
11: Getriebe
12: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
13: Abgasrückführleitung
14: Steuerventil
15: Modifiziervorrichtung
16: Verdichter
16a: erster Verdichter
16b: zweiter Verdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 2009308070 A1 [0002]
US 2014/0196697 [0003]
US 2017/0074214 A1 [0004]
DE 102015108996 A1 [0005]
US 2018/0066610 A1 [0006]
US 10465636 B2 [0007]

Claims

Brennkraftmaschine mit • einem Verbrennungsmotor (1), der eine (erste) Brennraumbank (2, 2a) aufweist, die mindestens einen ersten Brennraum (4a) und mindestens einen zweiten Brennraum (4b) aufweist, • einem Frischgasstrang (7), der zumindest einen (ersten) Verdichter (16a) umfasst, • einem Abgasstrang (9), der einen ersten Abgasteilstrang (9a) und einen zweiten Abgasteilstrang (9b) umfasst, die separiert verlaufen, wobei • der erste Abgasteilstrang (9a) von dem ersten Brennraum (4a) abgeht und zu einer Umgebungsmündung (3) führt sowie eine erste Abgasturbine (10a) umfasst, • der zweite Abgasteilstrang (9b) von dem zweiten Brennraum (4b) abgeht und eine zweite Abgasturbine (10b) umfasst, • einer Abgasrückführleitung (13), die stromab der zweiten Abgasturbine (10b) aus dem zweiten Abgasteilstrang (9b) abzweigt und in den Frischgasstrang (7) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (10a) und die zweite Abgasturbine (10b) drehantreibend mit dem (ersten) Verdichter (16a) verbunden sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in den zweiten Abgasteilstrang (9b) oder in die Abgasrückführleitung (13) integrierte Modifiziervorrichtung (15) zur chemischen Modifikation des darin geführten Abgases.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zweite Brennraumbank (2b), die mindestens einen ersten Brennraum (4a) und vorzugsweise mindestens einen zweiten Brennraum (4b) aufweist,
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass • der erste Abgasteilstrang (9a) von den ersten Brennräumen (4a) der ersten Brennraumbank (2a) und der zweiten Brennraumbank (2b) abgeht und • der zweite Abgasteilstrang (9b) von den zweiten Brennräumen (4b) der ersten Brennraumbank (2a) und der zweiten Brennraumbank (2b) abgeht.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Verdichter (16b), der in den Frischgasstrang (7) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (16b) in serieller Anordnung oder in paralleler Anordnung mit dem ersten Verdichter (16a) in den Frischgasstrang (7) integriert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4 und gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrang (9) für jede der Brennraumbänke (2a, 2b) einen ersten Abgasteilstrang (9a) und einen zweiten Abgasteilstrang (9b) sowie eine Abgasrückführleitung (13) gemäß dem Patentanspruch 1 umfasst, wobei die erste Abgasturbine (10a) und die zweite Abgasturbine (10b) der ersten Brennraumbank (2a) drehantreibend mit dem ersten Verdichter (16a) verbunden sind und die erste Abgasturbine (10a) und die zweite Abgasturbine (10b) der zweiten Brennraumbank (2b) drehantreibend mit dem zweiten Verdichter (16b) verbunden sind.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischgasstrang (7) einen ersten Frischgasteilstrang (7a) und einen zweiten Frischgasteilstrang (7b) umfasst, die separiert verlaufen, wobei • der erste Frischgasteilstrang (7a) zu dem ersten Brennraum (4a) der ersten Brennraumbank (2a) und/oder der zweiten Brennraumbank (2b) führt und der zweite Frischgasteilstrang (7b) zu dem zweiten Brennraum (4b) der ersten Brennraumbank (2a) und/oder der zweiten Brennraumbank (2b) führt oder • der erste Frischgasteilstrang (7a) zu dem ersten Brennraum (4a) und dem zweiten Brennraum (4b) der ersten Brennraumbank (2a) führt und der zweite Frischgasteilstrang (7b) zu dem ersten Brennraum (4a) und dem zweiten Brennraum (4b) der zweiten Brennraumbank (2b) führt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass • der erste Verdichter (16a) und/oder der zweite Verdichter (16b) in einen Abschnitt des Frischgasstrangs (7), der stromauf einer Verzweigung der Frischgasteilstränge angeordnet ist, oder in den ersten Frischgasteilstrang (7a) integriert ist/sind oder • der erste Verdichter (16a) in den ersten Frischgasteilstrang (7a) und der zweite Verdichter (16b) in den zweiten Frischgasteilstrang (7b) integriert sind.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Abgasturbine (10c), die drehantreibend mit dem ersten Verdichter (16a) und/oder dem zweiten Verdichter (16b) verbunden ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (16a) größer als der zweite Verdichter (16b) und/oder die erste Abgasturbine (10a) größer als die zweite Abgasturbine (10b) ausgestaltet ist.
Abgasturbolader mit einem (ersten) Verdichter (16a) und mit einer ersten Abgasturbine (10a) und einer zweiten Abgasturbine (10b), wobei die erste Abgasturbine (10a) und die zweite Abgasturbine (10b) drehantreibend mit dem (ersten) Verdichter (16a) verbunden sind.
Abgasturbolader gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen zweiten Verdichter (16b), wobei die erste Abgasturbine (10a) und die zweite Abgasturbine (10b) auch drehantreibend mit dem zweiten Verdichter (16b) verbunden sind.
Abgasturbolader gemäß Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine dritte Abgasturbine (10c), die drehantreibend mit dem ersten Verdichter (16a) und/oder dem zweiten Verdichter (16b) verbunden ist.
Abgasturbolader gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die drehantreibende Verbindung der ersten Abgasturbine (10a) und/oder der zweiten Abgasturbine (10b) und/oder der dritten Abgasturbine (10c) einerseits mit dem ersten Verdichter (16a) und/oder dem zweiten Verdichter (16b) ein Getriebe und/oder eine Kupplung umfasst.