DE102021206542A1

DE102021206542A1 - Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern

Info

Publication number: DE102021206542A1
Application number: DE102021206542.2A
Authority: DE
Inventors: Christopher Gessenhardt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Brennkraftmaschine mit• einem Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen ersten Brennraum (5a, 5d) und mindestens einen zweiten Brennraum (5b, 5c) umfasst,• einem Abgasstrang (19), der eine an den mindestens einen ersten Brennraum (5a, 5d) angeschlossene und eine erste Abgasturbine (16) integrierende Abgasflut (19a) und eine an den mindestens einen zweiten Brennraum (5b, 5c) angeschlossene und eine zweite Abgasturbine (17) integrierende Abgasflut (2b) umfasst, wobei die erste Abgasflut (2a) und die zweite Abgasflut (2b) stromauf der Abgasturbinen (16, 17) vollständig separiert sind, und• einem Frischgasstrang (7), in den ein erster Frischgasverdichter (8), der mit der erste Abgasturbine (16) antriebsverbunden ist und, stromab des ersten Frischgasverdichters (8), ein zweiter Frischgasverdichter (10), der mit der zweiten Abgasturbine (17) antriebsverbunden ist, integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine mittels mindestens zwei Abgasturboladern aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennräumen kann ein gemeinsamer Abgassammler eines Abgasstrangs, der die mehreren Brennräume eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine mit der Abgasturbine verbindet, zu einem sogenannten Übersprechen eines Auslassstoßes eines Abgas ausstoßenden Brennraums auf die übrigen Zylinder führen. Dies führt dann vor allem bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit erhöhter Last zu einer unerwünschten Beeinflussung des Betriebsverhaltens, da es zu einem Rückströmen von Abgas aus dem Abgassammler in die Brennräume kommt. Dies kann mit einer erhöhten Restgasrate in diesen Brennräumen und somit beispielsweise bei Ottomotoren mit einer erhöhten Klopfneigung und daraus folgend einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrads und des erzeugbaren Drehmomentes verbunden sein.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren Brennräumen ist aus der DE 10 2015 207 539 B4 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine sind zwei von insgesamt vier Brennräumen eines Verbrennungsmotors einer ersten Abgasflut zugeordnet, in die eine erste Abgasturbine integriert ist. Die zwei weiteren Brennräume sind einer zweiten Abgasflut zugeordnet, in die eine zweite Abgasturbine integriert ist. Die Abgasturbinen sind jeweils mit einem Frischgasverdichter verbunden, wobei die Frischgasverdichter seriell in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine integriert sind. Die beiden Abgasfluten werden stromab der Abgasturbine zusammengeführt, wobei zusätzlich stromauf der Abgasturbinen eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, die die Abgasfluten miteinander verbindet. Jeweils zwischen den Verzweigungen zu der Verbindungsleitung und den Abgasturbinen ist ein Absperrventil in die Abgasfluten integriert, um eine bedarfsweise Verteilung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasmassenstroms auf die einzelnen Abgasturbinen zu ermöglichen. Die Brennkraftmaschine gemäß der DE 10 2015 207 539 B4 soll ein vorteilhaftes Betriebsverhalten insbesondere während eines Teilbetriebszustands, in dem zwei der vier Brennräume deaktiviert sind, aufweisen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit relativ hoher spezifischer Nennleistung, bei einem Betrieb mit Volllast oder in einem volllastnahen Bereich zu verbessern.
Diese Aufgabe ist bei einer Brennkraftmaschine gelöst, die einerseits einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor (insbesondere Ottomotor), aufweist, der mindestens einen ersten Brennraum (vorzugsweise mindestens oder exakt zwei erste Brennräume) und mindestens einen zweiten Brennraum (vorzugsweise mindestens oder exakt zwei zweite Brennräume) umfasst. Den Brennräumen ist vorzugsweise jeweils mindestens ein Auslassventil und mindestens ein Einlassventil zugeordnet, die mittels eines Ventiltriebs des Verbrennungsmotors betätigbar sind.
Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor und zum Einleiten zumindest eines Teils dieses Abgases in die Umgebung. Der Abgasstrang umfasst als ersten sich an den Verbrennungsmotor anschließenden Abschnitt eine an den mindestens einen ersten Brennraum angeschlossene und eine erste Abgasturbine integrierende Abgasflut und eine an den mindestens einen zweiten Brennraum angeschlossene und eine zweite Abgasturbine integrierende Abgasflut, wobei die erste Abgasflut und die zweite Abgasflut stromauf der Abgasturbinen vollständig separiert sind. Demnach existiert keine gasführende Verbindung (weder dauerhaft geöffnet noch bedarfsweise absperr- oder drosselbar) zwischen den Abgasfluten stromauf der Abgasturbinen, so dass grundsätzlich kein Abgas zwischen den Abgasfluten stromauf der Abgasturbinen überströmen kann. Dies dient dazu, ein Übersprechen von Auslassstößen des Abgases aus denjenigen Brennräumen, die verschiedenen der Abgasfluten zugeordnet sind, möglichst gering zu halten. Ein solches Übersprechen von Auslassstößen kann nämlich infolge der vollständigen Separierung der Abgasfluten stromauf der Abgasturbine erst stromab der Abgasturbinen erfolgen, was einerseits relativ weit von dem Verbrennungsmotor und damit den Brennräumen entfernt gelegen ist, wodurch sich eine zeitliche Entzerrung der Auslassstöße ergibt. Zusätzlich dazu weisen die Abgasturbinen eine Dämpfungswirkung bezüglich des Übersprechens auf, wobei diese Dämpfungswirkung besonders ausgeprägt ist, weil Abgas für ein Übersprechen beide Abgasturbinen durchströmen muss.
Eine Minimierung des Übersprechens von Auslassstößen des Abgases zwischen den mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors führt zu einer Minimierung der Restgasgehalte in den Brennräumen und damit zu einer relativ geringen Klopfneigung im Betrieb des Verbrennungsmotors. Dies kann sich wiederum vorteilhaft auf den Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors auswirken, weil Maßnahmen, die durchgeführt werden, um bei einer relativ hohen Klopfneigung ein Klopfen zu vermeiden und die üblicherweise mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrads im Betrieb des Verbrennungsmotors einhergehen, unterbleiben können.
Besonders wirksam kann ein Übersprechen zwischen den Brennräumen unterdrückt werden, wenn eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor mit mehr als zwei Brennräumen, d.h. mit mindestens zwei ersten Brennräumen und/oder mindestens zwei zweiten Brennräumen aufweist, wobei sich die ersten und zweiten Brennräume hinsichtlich der Zündfolge abwechseln, so dass zwischen aktiv bewirkten Zündungen von Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in zwei ersten Brennräumen eine aktiv bewirkte Zündung einer Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge in einem zweiten Brennraum erfolgt und/oder zwischen aktiv bewirkten Zündungen von Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in zwei zweiten Brennräumen eine aktiv bewirkte Zündung einer Kraftstoff-Frischgas-Gemischmenge in einem ersten Brennraum erfolgt.
Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen Frischgasstrang zum Zuführen von Frischgas zu dem Verbrennungsmotor, wobei das Frischgas vollständig oder zumindest teilweise aus Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird, stammt. In den Frischgasstrang sind zumindest ein erster Frischgasverdichter, der mit der erste Abgasturbine antriebsverbunden ist und ein zweiter Frischgasverdichter, der mit der zweiten Abgasturbine antriebsverbunden ist, integriert, wobei der zweite Frischgasverdichter stromab des ersten Frischgasverdichters in dem Frischgasstrang angeordnet ist. Dabei kann der erste Frischgasverdichter vorzugsweise nur mit der ersten Abgasturbine und der zweite Frischgasverdichter nur mit der zweiten Abgasturbine antriebsverbunden sein. Möglich ist aber auch, dass der erste Frischgasverdichter zusätzlich mit der zweiten Abgasturbine und/oder der zweite Frischgasverdichter zusätzlich mit der ersten Abgasturbine antriebsverbunden ist. Durch die serielle Integration der Frischgasverdichter in den Frischgasstrang kann ein relativ hohes Gesamtverdichtungsdruckverhältnis, d.h. ein relativ hohes Verhältnis des Drucks des Frischgases stromab des zweiten Frischgasverdichters zu dem Druck des Frischgases stromauf des ersten Frischgasverdichters, erreicht werden, was sich vorteilhaft auf den Betrieb des Verbrennungsmotors auswirken kann.
Ein besonders hohes Gesamtverdichtungsdruckverhältnis kann dabei realisiert werden, wenn eine Erwärmung des Frischgases, die sich aufgrund einer Verdichtung mittels des ersten Frischgasverdichters eingestellt hat, vor einer Verdichtung mittels des zweiten Frischgasverdichters zumindest teilweise rückgängig gemacht wird, weil dadurch die Verdichtungswirkung des zweiten Frischgasverdichters erhöht werden kann. Dafür kann vorgesehen sein, dass der erste Frischgasverdichter und/oder der zweite Frischgasverdichter aktiv gekühlt ausgeführt sind und hierzu ein Verdichtergehäuse des ersten Frischgasverdichters und/oder ein Verdichtergehäuse des zweiten Frischgasverdichters Kühlkanäle aufweist, die in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert oder integrierbar sind, so dass Kühlmittel, insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, des Kühlsystems zur Kühlung des/der Verdichtergehäuse(s) durch die Kühlkanäle geführt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann zwischen dem ersten Frischgasverdichter und dem zweiten Frischgasverdichter ein Ladeluftkühler in dem Frischgasstrang angeordnet ist. Bei einem solchen Ladeluftkühler handelt es sich um einen Wärmetauscher, der für eine Kühlung von mittels eines Frischgasverdichters verdichtetem Frischgas (Ladeluft) vorgesehen und dazu von diesem Frischgas durch- und oder umströmt wird, wobei der Ladeluftkühler insbesondere in das Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert sein und demnach einen Wärmeübergang von dem Frischgas auf das Kühlmittel des Kühlsystems bewirken kann. Alternativ oder ergänzend zu dem zwischen den Frischgasverdichtern in dem Frischgasstrang angeordneten Ladeluftkühler kann zudem ein (weiterer) Ladeluftkühler stromab des zweiten Frischgasverdichters in dem Frischgasstrang angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft kann sich ein relativ hohes Gesamtverdichtungsdruckverhältnis auswirken, wenn, wie dies vorzugsweise vorgesehen ist, der Ventiltrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine derart ausgestaltet ist, dass dieser die Einlassventile zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast spätestens 40°KW vor UT (entsprechend einer Miller-Betriebsart) oder frühestens 40°KW nach UT, vorzugsweise frühestens 50°KW nach UT (entsprechend einer Atkinson-Betriebsart) schließt, wobei als UT der jeweilige untere Totpunkt in den Bewegungen der die Brennräume teilweise begrenzenden Kolben, der bei einem Viertakt-Betrieb des Verbrennungsmotors zwischen einem Einlasstakt und einem Verdichtungstakt liegt, verstanden wird. Als Betrieb mit Volllast wird ein Betrieb in zumindest einem Volllastbetriebspunkt (Kombination aus Volllast und einer konkreten Betriebsdrehzahl des Verbrennungsmotor) verstanden, wobei bevorzugt vorgesehen sein kann, wenn ein Betrieb mit Volllast jeden Volllastbetriebspunkt abdeckt.
Durch ein solches relativ frühes oder relativ spätes Schließen der Einlassventile wird der Liefergrad beziehungsweise die Füllung der Brennräume mit Frischgas gezielt limitiert, was sich ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung der Klopfneigung im Betrieb des Verbrennungsmotors auswirkt. Gleichzeitig führt ein solches Schließen der Einlassventile aber auch zu einem relativ hohen Saugrohrdruck (Druck des Frischgases unmittelbar stromauf des Verbrennungsmotors), was sich negativ auf die Füllung der Brennräume und damit auf die mittels des Verbrennungsmotors erzielbare Antriebsleistung bei Volllast auswirken kann, wenn nicht mittels einer Frischgasverdichtung eine ausreichende Menge an Frischgas den Brennräumen zugeführt werden kann. Dies wird jedoch durch die erfindungsgemäße serielle Integration der Frischgasverdichter in den Frischgasstrang und das dadurch erzielbare relativ hohe Gesamtverdichtungsdruckverhältnis ermöglicht.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser die Einlassventile zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast zu einem Zeitpunkt zwischen 20°KW vor UT und 30°KW nach UT schließt, um einen möglichst maximierten Liefergrad zur realisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Ventiltrieb derart ausgestaltet ist, dass dieser die Auslassventile zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast mit einer Steuerbreite von mindestens 200°KW betätigt, wobei als Steuerbreite die Drehwinkelspanne bezüglich der Rotation einer Abtriebs- beziehungsweise Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verstanden wird, über der die Auslassventile mit einem Öffnungshub von mindestens 1 mm geöffnet sind. Durch eine solche relativ große Steuerbreite hinsichtlich der Betätigung der Auslassventile soll die Arbeit, die von den Kolben des Verbrennungsmotors zum Ausschieben des Abgases aus den Brennräumen aufgebracht werden muss, möglichst minimiert werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich der Erzielung einer relativ hohen Nennleistung des Verbrennungsmotors auswirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die erste Abgasturbine und/oder die zweite Abgasturbine, vorzugsweise beide Abgasturbinen, eine variable Turbinengeometrie (VTG) aufweisen, wodurch insbesondere in Kombination mit der seriellen Anordnung der Frischgasverdichter in dem Frischgasstrang eine angepasste Verdichtung des Frischgases und damit insbesondere ein möglichst vorteilhaftes Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors bei Volllast erreicht werden kann. Zur Realisierung einer VTG umfasst eine Abgasturbine eine Vorrichtung, mittels der ein Strömungsquerschnitt, über den Abgas zu einem Turbinenlaufrad der Abgasturbine geführt werden kann, hinsichtlich der Wirksamkeit veränderbar ist. Dazu kann zumindest die Größe des freien Strömungsquerschnitts und vorzugsweise auch der Winkel der Anströmung von Schaufeln des Turbinenlaufrads veränderbar sein. Sofern beide Abgasturbinen eine variable Turbinengeometrie aufweisen, können diese jeweils einen Steller zur Verstellung der variablen Turbinengeometrie aufweisen. Dies ermöglicht eine individuelle Verstellung der variablen Turbinengeometrien insbesondere in Abhängigkeit von unterschiedlichen Verdichtungsleistungen, die für die seriell in den Abgasstrang integrierten Frischgasverdichter sinnvoll oder erforderlich sein können. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dass die Abgasturbinen einen gemeinsamen Steller zur Verstellung der variablen Turbinengeometrien aufweisen, wodurch insbesondere eine relativ kompakte und auch relativ einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Brennkraftmaschine realisiert werden kann.
Zur Erzielung einer möglichst kompakten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine ein gemeinsames Turbinengehäuse aufweisen und/oder der erste Frischgasverdichter und der zweite Frischgasverdichter ein gemeinsames Verdichtergehäuse aufweisen.
Vorzugsweise kann eine Auslegung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine derart vorgesehen sein, dass möglichst identische Abgasgegendrücke in den Abgasfluten stromauf der Abgasturbinen zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit Volllast realisiert ist. Bei dieser Auslegung können die Strömungswiderstände Berücksichtigung finden, die das Abgas beim Durchströmen der Abgasfluten einschließlich der darin integrierten Abgasturbinen erfährt. Unterschiedliche Verdichtungsleistungen, die die beiden Frischgasverdichter infolge der seriellen Anordnung in dem Frischstrang bewirken, können dabei mit unterschiedlichen Antriebsleistungen der Abgasturbinen einhergehen, was wiederum Unterschiede hinsichtlich der Strömungswiderstände für das Abgas beim Durchströmen der beiden Abgasturbinen bewirken kann. Unterschiede hinsichtlich des Strömungswiderstands beim Durchströmen der Abgasturbinen können beispielsweise durch unterschiedliche Dimensionierungen der Abgasfluten, beispielsweise unterschiedlich lange und/oder im Strömungsquerschnitt unterschiedlich große Abschnitte der Abgasfluten stromauf der jeweiligen Abgasturbine, und/oder durch unterschiedlichen Ansteuerungen mittels individueller Steller zur Verstellung der variablen Turbinengeometrien der Abgasturbinen kompensiert werden. Eine solche Auslegung zur Erzielung möglichst identischer Abgasgegendrücke in den Abgasfluten kann auf einfache Weise durch Simulationen und/oder Versuche realisiert werden.
Der Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann sowohl mit Flüssigkraftstoff (d.h. insbesondere Benzin) als auch mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG) betrieben werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKVη, 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:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform; und
3: in einem Diagramm beispielhafte Verläufe von Betriebsparametern einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und entsprechende Verläufe für eine vergleichbare konventionelle Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 1, der als Hubkolbenmotor mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Wandungen der Zylinderöffnungen 2 begrenzen gemeinsam mit darin beweglich geführten Kolben 3 und einem Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1 Brennräume 5, in denen im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 Frischgas (primär Luft, ggf. mit rückgeführtem Abgas) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff kann dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt), mittels Kraftstoffinjektoren (nicht dargestellt) direkt in die Brennräume 5 eingespritzt und mittels Zündvorrichtungen 6 gezündet werden. Das Verbrennen der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen führt zu zyklischen Hubbewegungen der Kolben 3, die wiederum in bekannter Weise über Pleuel (nicht dargestellt) auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird.
Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 1 über einen Frischgasstrang 7 zugeführt und dazu aus der Umgebung angesaugt und anschließend in einen ersten Frischgasverdichter 8, der Teil eines ersten Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des ersten Frischgasverdichters 8 vorverdichtet, anschließend in einem ersten Ladeluftkühler 9 abgekühlt und daraufhin durch einen zweiten Frischgasverdichter 10, der Teil eines zweiten Abgasturboladers ist, geführt. Der erste Frischgasverdichter 8 und der zweite Frischgasverdichter 10 weisen dabei ein gemeinsames Verdichtergehäuse 11 auf. Der erste Ladeluftkühler 9 kann innerhalb dieses gemeinsamen Verdichtergehäuse 11 angeordnet sein. Das Frischgas wird mittels des zweiten Frischgasverdichters 10 nachverdichtet, anschließend in einem zweiten Ladeluftkühler 12, der in ein Saugrohr 13 des Verbrennungsmotors 1 integriert ist, abgekühlt und daraufhin, mittels Einlassventilen 14 zeitlich gesteuert und dosiert, den Brennräumen 5 zugeführt. Ergänzend oder alternativ zu einer direkten Kühlung des Frischgases mittels des ersten Ladeluftkühlers 9 kann auch eine indirekte Kühlung des Frischgases durch eine Kühlung des Verdichtergehäuses 11 der Frischgasverdichter 8, 10 realisiert sein, wozu in das Verdichtergehäuse 11 Kühlkanäle 15 integriert sein können, die Teil eines im Übrigen nicht dargestellten Kühlsystems der Brennkraftmaschine sind. Die Ladeluftkühler 9, 12 sowie der Verbrennungsmotor 1 können dabei ebenfalls in dieses Kühlsystem integriert sein.
Stromab des zweiten Frischgasverdichters 10 kann in den Frischgasstrang 7 eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung ansteuerbare Regelklappe (nicht dargestellt) integriert sein.
Der Antrieb des ersten Frischgasverdichters 8 erfolgt mittels einer ersten Abgasturbine 16 des ersten Abgasturboladers und der Antrieb des zweiten Frischgasverdichters 10 erfolgt mittels einer zweiten Abgasturbine 17 des zweiten Abgasturboladers. Die erste Abgasturbine 16 und die zweite Abgasturbine 17 weisen ein gemeinsames Turbinengehäuse 18 auf. Die Abgasturbinen 16, 17 sind in einen Abgasstrang 19 der Brennkraftmaschine integriert. Abgas, das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen 5 des Verbrennungsmotors 1 entstanden ist, wird, mittels Auslassventilen 20 zeitlich gesteuert und dosiert, über den Abgasstrang 19 von dem Verbrennungsmotor 1 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbinen 16, 17. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb jeweils eines Turbinenlaufrads der Abgasturbinen 16, 17, wobei die Turbinenlaufräder (nicht dargestellt) jeweils über eine Welle 21 drehfest mit einem Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des dazugehörigen Frischgasverdichters 8, 10 verbunden sind.
Die Abgasturbinen 16,17 weisen jeweils eine variable Turbinengeometrie (VTG) 22 auf, wobei für eine Verstellung dieser variablen Turbinengeometrien 22 ein gemeinsamer Steller 23, der mittels der Steuerungsvorrichtung ansteuerbar ist, vorgesehen ist.
Die Abgasturbinen 16, 17 sind in unterschiedliche Abgasfluten 19a, 19b des Abgasstrangs 19 integriert, wobei die Abgasfluten 19a, 19b stromauf der Abgasturbinen 16,17 voneinander vollständig separiert sind. Die Abgasfluten 19a, 19b werden erst stromab der Abgasturbinen 16, 17 wieder zusammengeführt. Durch diese vollständige Separierung der Abgasfluten 19a, 19b stromauf der Abgasturbinen 16, 17 wird erreicht, dass Abgas, das aus einem der Brennräume 5 des Verbrennungsmotors 1 ausgestoßen wurde und das über eine dazugehörige Abgasflut 19a, 19b strömt, zunächst die dazugehörige Abgasturbine 16, 17durchströmen muss, bevor sich dieses über die andere Abgasflut 19a, 19b des Abgasstrangs 19 in zumindest einen der Brennräume 5, an die diese andere Abgasflut 19a, 19b angeschlossen ist, ausbreiten kann. Dadurch kann das sogenannte Übersprechen zwischen denjenigen Brennräumen 5, die den unterschiedlichen Abgasfluten 19a, 19b zugeordnet sind, gering gehalten werden.
Um ein Übersprechen möglichst effektiv zu minimieren sind die insgesamt vier Brennräume 5 unter Berücksichtigung der für diese vorgesehenen Zündfolge (1-3-4-2: d.h. Einleitung der Verbrennungsprozesse mittels Aktivierungen der Zündvorrichtungen 6 zuerst in einem (bezogen auf die Reihenanordnung der Brennräume 5) ersten der Brennräume 5a, dann in dem dritten Brennraum 5c, dann in dem vierten Brennraum 5d und abschließend in dem zweiten Brennraum 5b) derart zu gruppieren, dass jeweils zwei Brennräume 5 einer der zwei Abgasfluten 19a, 19b zugeordnet sind, wobei die Brennräume 5 der einen Gruppe durch einen Brennraum 5 der jeweiligen anderen Gruppe hinsichtlich der Zündfolge separiert sind. Dementsprechend sind bei der Brennkraftmaschine gemäß der 1 die Brennräume 5a und 5d der ersten Abgasflut 19a und die Brennräume 5b und 5c der zweiten Abgasflut 19b zugeordnet.
Abgassammler 24 der einzelnen Abgasfluten 19a, 19b, in denen Abgas, das aus den einzelnen, der jeweiligen Abgasflut 19a, 19b zugeordneten Brennräumen 5 stammt, gesammelt und vermischt wird, sind in den Zylinderkopf 4 des Verbrennungsmotors 1 integriert.
Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese unterscheidet sich von derjenigen gemäß der 1 lediglich darin, dass beide Frischgasverdichter 8, 10 und beide Abgasturbinen 16, 17 Bestandteile eines einzigen Abgasturboladers sind, indem beide Abgasturbinen 16, 17 über eine einzige Welle 21 mit beiden Frischgasverdichtern 8, 10 antriebsverbunden sind.
Die 3 verdeutlicht die sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine ergebenden Vorteile hinsichtlich des Übersprechens zwischen den Brennräumen 5. Die 3 zeigt in einem Diagramm einerseits den Verlauf 25 des Ventilhubs h des oder der Auslassventile 20 und den Verlauf 26 des Ventilhubs h des oder der Einlassventile 14, die einem konkret betrachteten Brennraum 5 der Brennkraftmaschine zugeordnet sind, jeweils über dem Drehwinkel α (in °KW) der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1. Weiterhin ist in dem Diagramm der (gestrichelt gezeichnete) Verlauf 27 des Massenstroms ṁ (in g/s) von Abgas in derjenigen Abgasflut 19a, 19b, die mit dem betrachteten Brennraum 4 verbunden ist, sowie ein entsprechender (durchgehend gezeichneter) Verlauf 28 bei einer konventionellen Brennkraftmaschine mit einer einzelnen Abgasturbine und ohne Separierung des Abgasstrangs in Abgasfluten 19a,19b dargestellt. In dem Diagramm ist zudem ein (gestrichelt gezeichneter) Verlauf 29 eines Drucks p_A (in bar) in der betrachteten Abgasflut 19a, 19b der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie ein entsprechender (durchgehend gezeichneter) Verlauf 30 für die zum Vergleich herangezogene Brennkraftmaschine gezeigt. Und schließlich ist in der 3 jeweils ein Verlauf 31, 32 des Drucks p_F des Frischgases in dem Frischgasstrang 7 in unmittelbarer Nähe zu den Einlassventilen 14 für einerseits die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine (gestrichelt gezeichneter Verlauf 31) und andererseits für die zum Vergleich herangezogene Brennkraftmaschine (durchgehend gezeichneter Verlauf 32) dargestellt.
In dem Diagramm der 3 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 5 hinsichtlich der Zündfolge benachbarten Brennraums 5 auswirkt. Zu erkennen ist, dass sich in diesem zeitlichen Abschnitt ein negatives Spülgefälle einstellt, weil das oder die Auslassventile 20 des betrachteten Brennraums 5 noch nicht vollständig geschlossen ist/sind, in dieser Phase aber die Auslassdruckwelle des zuvor ausstoßenden Brennraums 5 in den Abgasstrang einläuft, und das oder die Einlassventile 14 des betrachteten Brennraums 5 bereits schon teilweise geöffnet sind. Dieses negative Spülgefälle führt zu einem negativen Abgasmassenstrom ṁ und folglich zu einem Rückströmen von Abgas aus dem Abgasstrang 19 beziehungsweise der angeschlossenen Abgasflut 19a, 19b in den betrachteten Brennraum 5. Zu erkennen ist in dem Diagramm der 3 weiterhin, dass der Druck in dem Abgasstrang 19 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 3 entnommen werden, dass die entsprechende Druckwelle in diesem Abschnitt, die aus einem Ausstoß von Abgas aus dem benachbarten Brennraum 5 resultiert, zeitlich verzögert einsetzt und sich somit erst bei weiter geschlossenen Auslassventilen 20 auswirken kann. Im Ergebnis kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmasche, die größere Lauflängen für Abgasstöße sowie deren Dämpfung infolge einer doppelten Durchströmung der Abgasturbinen 16, 17 bewirkt, die Menge des in den betrachteten Brennraum 5 zurückströmenden Abgases und damit das Übersprechen zwischen den Brennräumen 5 deutlich reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Kolben
4: Zylinderkopf
5: Brennraum
5a: erster Brennraum
5b: zweiter Brennraum
5c: dritter Brennraum
5d: vierter Brennraum
6: Zündvorrichtung
7: Frischgasstrang
8: erster Frischgasverdichter
9: erster Ladeluftkühler
10: zweiter Frischgasverdichter
11: Verdichtergehäuse des ersten Frischgasverdichters und des zweiten Frischgasverdichters
12: zweiter Ladeluftkühler
13: Saugrohr
14: Einlassventil
15: Kühlkanal
16: erste Abgasturbine
17: zweite Abgasturbine
18: Turbinengehäuse der ersten Abgasturbine und der zweiten Abgasturbine
19: Abgasstrang
19a: erste Abgasflut des Abgasstrangs
19b: zweite Abgasflut des Abgasstrangs
20: Auslassventil
21: Welle
22: VTG
23: Steller
24: Abgassammler
25: Verlauf des Ventilhubs eines Auslassventils
26: Verlauf des Ventilhubs eines Einlassventils
27: Verlauf des Massenstroms von Abgas in einer Abgasflut einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
28: Verlauf des Massenstroms von Abgas in einer Abgasflut einer für einen Vergleich herangezogenen, konventionellen Brennkraftmaschine
29: Verlauf des Drucks des Abgases p_A in einer Abgasflut der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
30: Verlauf des Drucks des Abgases p_A in der Abgasflut der für den Vergleich herangezogenen Brennkraftmaschine
31: Verlauf des Drucks des Frischgases p_F in dem Frischgasstrang der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine
32: Verlauf des Drucks des Frischgases p_F in dem Frischgasstrang der für den Vergleich herangezogenen, konventionellen Brennkraftmaschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015207539 B4 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine mit • einem Verbrennungsmotor (1), der mindestens einen ersten Brennraum (5a, 5d) und mindestens einen zweiten Brennraum (5b, 5c) umfasst, • einem Abgasstrang (19), der eine an den mindestens einen ersten Brennraum (5a, 5d) angeschlossene und eine erste Abgasturbine (16) integrierende Abgasflut (19a) und eine an den mindestens einen zweiten Brennraum (5b, 5c) angeschlossene und eine zweite Abgasturbine (17) integrierende Abgasflut (2b) umfasst, wobei die erste Abgasflut (2a) und die zweite Abgasflut (2b) stromauf der Abgasturbinen (16, 17) vollständig separiert sind, und • einem Frischgasstrang (7), in den ein erster Frischgasverdichter (8), der mit der ersten Abgasturbine (16) antriebsverbunden ist und, stromab des ersten Frischgasverdichters (8), ein zweiter Frischgasverdichter (10), der mit der zweiten Abgasturbine (17) antriebsverbunden ist, integriert sind.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) fremdgezündet betreibbar ist, wobei sich die ersten und zweiten Brennräume (5) hinsichtlich der Zündfolge abwechseln.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennräumen (5) jeweils mindestens ein Auslassventil (20) zugeordnet ist, wobei die Auslassventile (20) mittels eines Ventiltriebs des Verbrennungsmotors (1) betätigbar sind, der derart ausgebildet ist, dass dieser die Auslassventile (20) zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) mit Volllast mit einer Steuerbreite von mindestens 200°KW betätigt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Frischgasverdichter (8) und dem zweiten Frischgasverdichter (10) ein Ladeluftkühler (9) in dem Frischgasstrang (7) angeordnet ist
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frischgasverdichter (8) nur mit der ersten Abgasturbine (16) oder auch mit der zweiten Abgasturbine (17) antriebsverbunden ist und/oder der zweite Frischgasverdichter (10) nur mit der zweiten Abgasturbine (17) oder auch mit der ersten Abgasturbine (16) antriebsverbunden ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen ersten Brennraum (5a, 5d) und dem mindestens einen zweiten Brennraum (5b, 5c) jeweils mindestens ein Einlassventil (14) zugeordnet ist, wobei die Einlassventile (14) mittels eines/des Ventiltriebs des Verbrennungsmotors (1) betätigbar sind, wobei der Ventiltrieb derart ausgestaltet ist, dass dieser die Einlassventile (14) zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) mit Volllast spätestens 40°KW vor UT oder frühestens 40°KW nach UT schließt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (16) und die zweite Abgasturbine (17) jeweils eine variable Turbinengeometrie aufweisen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichtergehäuse (11) des ersten Frischgasverdichters (8) und/oder ein Verdichtergehäuse (11) des zweiten Frischgasverdichters (10) Kühlkanäle (15) aufweist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasturbine (16) und die zweite Abgasturbine (17) ein gemeinsames Turbinengehäuse (18) aufweisen und/oder der erste Frischgasverdichter (8) und der zweite Frischgasverdichter (10) ein gemeinsames Verdichtergehäuse (11) aufweisen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auslegung derart, dass möglichst identische Abgasgegendrücke in den Abgasfluten (2a, 2b) stromauf der Abgasturbinen (16, 17) zumindest bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) mit Volllast realisiert sind.