DE202013100774U1

DE202013100774U1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Turbine

Info

Publication number: DE202013100774U1
Application number: DE202013100774U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2023-02-22

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (1), die ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen (6, 7) der Turbine (1) verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung (6, 7) eine Flut (8, 9) der Turbine (1) anschließt und die beiden Fluten (8, 9) bis hin zum Laufrad (3) mittels Gehäusewandung...

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
– die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
– die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut der Turbine anschließt und die beiden Fluten bis hin zum Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind, so dass die Abgasströme der beiden Fluten getrennt voneinander auf das Laufrad geleitet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Ventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Auslegung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Betriebsbereich der Brennkraftmaschine Priorität genießt, d. h. hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahl bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt.
Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.
Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
Bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, womit auch hohe Turbinendruckverhältnisse bei niedrigen Turbinendrehzahlen erzielt werden können. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, d. h. bei niedrigen Lasten bzw. niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringer Last spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckschwankungen in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
Zielführend ist es daher, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden.
Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen. Wird beispielweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1-2-4-3 bzw. gemäß der Zündfolge 1-3-4-2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.
Die Stoßaufladung hat aber auch Nachteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckschwankungen im Abgasabführsystem. Die Zylinder einer Gruppe können sich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder dieser Gruppe und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Als nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Der verschlechterte Ladungswechsel führt insbesondere bei steigender Last und zunehmender Drehzahl zu Nachteilen. Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt.
Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine am effektivsten unter stationären Motorbetriebsbedingungen betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Lasten bzw. hohen Drehzahlen, d. h. bei großen Abgasmengen, optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem möglichst konstanten Abgasstrom beaufschlagt werden, weshalb unter diesen Betriebsbedingungen ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern erweist sich die Gruppierung der Zylinder, bei der die Abgasleitungen gruppenweise zusammengeführt werden, wodurch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv.
Vielmehr wäre es hinsichtlich einer Stauaufladung vorteilhaft, die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zu einer einzigen Gesamtabgasleitung zusammen zu führen, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts einer in dieser Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine weitestgehend zu vergrößern, d. h. zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
Bei der Optimierung des Abgasabführsystems sowohl hinsichtlich geringer Abgasmengen als auch hinsichtlich größerer Abgasmengen ergibt sich somit bei der Gestaltung des Abgasabführsystems ein Zielkonflikt. Eine Gruppierung der Zylinder zur Realisierung einer Stoßaufladung führt zu einem günstigen Betriebsverhalten bei kleinen Abgasmengen, wohingegen bei größeren Abgasmengen Nachteile inkaufzunehmen sind. Wird hingegen stromaufwärts der Turbine ein möglichst großes Abgasvolumen realisiert, um bei größeren Abgasmengen die Vorteile einer Stauaufladung nutzen zu können, verschlechtert sich das Betriebsverhalten bei kleineren Abgasmengen.
Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen sich die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen miteinander verbinden bzw. voneinander trennen lassen. Das Abgasabführsystem wird dann in Abhängigkeit der Größe des Abgasstroms konfiguriert, d. h. bei kleinen Abgasmengen durch Trennen der Krümmer entsprechend einer Stoßaufladung und bei größeren Abgasmengen durch Verbinden der Krümmer entsprechend einer Stauaufladung.
Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Konzept ist, dass durch die Verbindung der Krümmer eine Verbindung nahe der Auslassöffnungen der Zylinder realisiert wird, wodurch die oben beschriebene Restgasproblematik bzw. die damit zusammenhängende Klopfproblematik Vorschub erhält, d. h. verschärft wird.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die einen optimierten Betrieb sowohl bei geringen Abgasmengen als auch bei größeren Abgasmengen ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
– mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
– die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
– die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen der Turbine verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung eine Flut der Turbine anschließt und die beiden Fluten bis hin zum Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind, so dass die Abgasströme der beiden Fluten getrennt voneinander auf das Laufrad geleitet werden,

– die beiden Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals stromaufwärts des Laufrades und stromabwärts der Eintrittsöffnungen miteinander verbindbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann das Volumen des mit einer einzelnen Flut der Turbine kommunizierenden Abgassystems variiert werden und zwar durch ein Verbinden bzw. Trennen der beiden Fluten der Turbine.
Folglich kann auch das Abgasvolumen bzw. das Abgasabführsystem stromaufwärts des Laufrades der zweiflutigen Turbine an unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere an unterschiedlich großen Abgasmengen, angepasst und diesbezüglich optimiert werden.
Gegenüber dem Verbinden der beiden Abgaskrümmer hat das erfindungsgemäße Verbinden der beiden Fluten der Turbine den Vorteil, dass der mindestens eine die Abgasvolumen der beiden Zylindergruppen verbindende Überströmkanal weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet ist, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe vergrößert wird. Der Gefahr einer gegenseitigen, insbesondere nachteiligen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch entgegen gewirkt. Die oben beschriebene Restgasproblematik bzw. Klopfproblematik entschärft sich bzw. entfällt.
Die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge und Effekte sind insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe jeweils innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, von hoher Relevanz, da durch ein Verbinden der Krümmer eine Verbindung realisiert werden würde, die außergewöhnlich nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder platziert wäre.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die einen optimierten Betrieb sowohl bei geringen Abgasmengen als auch bei größeren Abgasmengen ermöglicht.
Der aus dem Stand der Technik bekannte Zielkonflikt, der aus den unterschiedlichen Anforderungen der Stauaufladung bzw. Stoßaufladung an das stromaufwärts des Laufrades befindliche Abgasvolumen resultiert, nämlich einerseits zur Realisierung einer Stoßaufladung bei geringeren Abgasmengen ein kleines Volumen bereitzustellen und andererseits zum Zwecke einer Stauaufladung bei größeren Abgasmengen ein möglichst großes Volumen zum Abbau der Druckspitzen und zur Glättung des Abgasdrucks zur Verfügung zu stellen, wird aufgelöst.
Bei kleineren Abgasmengen bleiben die beiden Fluten der Turbine und damit die Abgassysteme der Zylindergruppen voneinander getrennt, so dass jede Flut nur mit den Abgasleitungen der Zylindergruppe kommuniziert, aus denen sie originär gespeist wird. Das Abgasvolumen stromaufwärts einer Flut ergibt sich aus dem Volumen der Abgasleitungen des dazugehörigen Krümmers und dem Volumen der Gesamtabgasleitung, die den Krümmer mit der Eintrittsöffnung der entsprechenden Turbinenflut verbindet.
Die vergleichsweise kleinen Volumina stromaufwärts des Laufrades gestatten eine Stoßaufladung. Unter Ausnutzung der sich in den Abgaskrümmern ausbreitenden Druckspitzen können dann bei nur geringen Abgasmengen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden. Bei Verwendung der Turbine im Rahmen einer Abgasturboaufladung können auf diese Weise hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke, bei nur geringen Abgasmengen generiert werden.
Die im Rahmen einer Stauaufladung bei größeren Abgasmengen als nachteilig anzusehenden Druckschwankungen im Abgasabführsystem können durch Verbinden der beiden Fluten der Turbine geglättet, günstigstenfalls sogar eliminiert werden. Dabei werden die Volumina des Abgasabführsystems stromaufwärts des Laufrades zusammengelegt. Jede einzelne Flut kommuniziert dann nicht mehr nur mit dem Abgasvolumen der ihr zugeordneten Zylindergruppe, sondern ebenfalls mit dem Abgasvolumen der anderen Zylindergruppe. Es wird damit jeder Flut ein zusätzliches Volumen zur Verfügung gestellt, wodurch sich das Abgasvolumen stromaufwärts jeder Flut vergrößert bzw. stromaufwärts des Laufrades anstatt zwei kleinen Volumina ein großes Volumen bereitsteht. Diese Volumenvergrößerung gewährleistet einen sich wenig verändernden, im Wesentlichen konstanten Abgasdruck stromaufwärts des Laufrades und damit günstige Bedingungen für eine Stauaufladung bei größeren Abgasmengen.
Der Eintrittsbereich einer zweiflutigen Turbine weist zwei Eintrittskanäle auf. Mehrflutige Turbinen eignen sich daher insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise zusammengeführt werden, um eine Stoßaufladung zu realisieren. Durch die beiden erfindungsgemäß miteinander verbindbaren Fluten der zweiflutigen Turbine ist ein Wechsel zwischen Stoßaufladung und Stauaufladung möglich. Die Turbine kann grundsätzlich mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet werden, die durch Verstellen an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Insofern sind Ausführungsformen mit drei, vier, fünf oder mehr Zylindern, bei denen die Abgasleitungen von mehr als zwei Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Absperrvorrichtung vorgesehen ist, die mindestens einen verstellbaren Absperrkörper aufweist, wobei der mindestens eine Absperrkörper in einer Ruheposition die beiden Fluten der Turbine voneinander trennt, in einer ersten Arbeitsposition die beiden Fluten der Turbine durch Freigeben des Überströmkanals miteinander verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die beiden Fluten der Turbine durch Freigeben des Überströmkanals miteinander verbindet sowie eine Abblaseleitung freigibt, die stromaufwärts des Laufrades aus dem Abgasabführsystem abzweigt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, bei der die zwei Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse des Laufrades gesehen – aufeinander liegend angeordnet sind und zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts das Laufrad spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
Eine Doppelstromturbine hat einen im Vergleich zur Zwillingsstromturbine höheren Wirkungsgrad und ein verbessertes Anströmverhalten des Laufrades. Zudem ist die Doppelstromturbine thermisch höher belastbar. Der letztgenannte Vorteil ergibt sich aus der Anordnung der Fluten übereinander und wird im Rahmen der Figurenbeschreibung näher erläutert.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche, fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abblaseleitung stromabwärts des Laufrades in das Abgasabführsystem mündet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, sowohl das abgeblasene Abgas als auch das durch die Turbine hindurchgeführte Abgas in einem gemeinsamen im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem nachzubehandeln.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Absperrkörper ein translatorisch verschiebbarer Kolben ist.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Absperrkörper ein drehbarer Kolben ist.
Vorteilhaft können ebenso Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der mindestens eine Absperrkörper ein Drehschieber ist.
Vorteilhaft können Ausführungsformen sein, bei denen der mindestens eine Absperrkörper elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
Der mindestens eine Absperrkörper kann stufig verstellbar, d. h. schaltbar, ausgeführt sein, in der Art, dass er zwischen der Ruheposition und mehreren Arbeitspositionen wechselt und den Überströmkanal bzw. die Abblaseleitung entweder verschließt oder freigibt, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere Kostenvorteile bietet.
Der mindestens eine Absperrkörper ist aber vorzugsweise stufenlos verstellbar, um beispielweise einen sprunghaften Drehmomentabfall bzw. Drehmomentanstieg bei Verstellen des Absperrkörpers, d. h. beim Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung und umgekehrt zu vermeiden. Ein stufenloses Verstellen des mindestens einen Absperrkörpers eröffnet zudem die Möglichkeit, die via Abblaseleitung am Laufrad vorbeigeführte Abgasmenge einzustellen, d. h. in vorgebbarer Weise zu bemessen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
Die im Abgasabführsystem vorgesehene zweiflutige Turbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat gleich mehrere Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen.
Da sich der Weg zur Turbine für die heißen Abgase verkürzt, nimmt auch das Volumen der Abgaskrümmer bzw. des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab.
Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt die Stoßaufladung im unteren Last- bzw. Drehzahlbereich.
Im Rahmen des Betriebs einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art mit Absperrvorrichtung werden die beiden Fluten der Turbine durch Verstellen des mindestens einen Absperrkörpers verbunden, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt, wozu der mindestens eine Absperrkörper aus der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt wird.
Bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine korrespondiert die Abgasmenge näherungsweise mit der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Abgasmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
Wird eine Brennkraftmaschine mit Quantitätsregelung eingesetzt, bei der die Last über die Menge an Frischgemisch gesteuert wird, bedeutet die erfindungsgemäße Vorgehensweise beim Betreiben dieser Brennkraftmaschine, dass die Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, wenn – eine konkrete Drehzahl vorausgesetzt – die Last der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Last übersteigt, da die Abgasmenge bei einer derartigen Brennkraftmaschine mit der Last korrespondiert und die Abgasmenge mit zunehmender Last steigt und mit abnehmender Last sinkt. Zudem werden die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden, wenn die Drehzahl des Ottomotors eine vorgebbare Drehzahl übersteigt, da die Abgasmenge unabhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung mit zunehmender Drehzahl steigt und mit abnehmender Drehzahl sinkt.
Liegt der Brennkraftmaschine hingegen eine Qualitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Zusammensetzung des Frischgemischs gesteuert wird und sich die Abgasmenge nahezu ausschließlich mit der Drehzahl ändert, d. h. proportional zur Drehzahl ist, werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine die beiden Fluten der Turbine lastunabhängig miteinander verbunden, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt, da die Abgasmenge vorliegend mit zunehmender Drehzahl steigt und mit abnehmender Drehzahl sinkt.
Handelt es sich um eine – insbesondere mittels Abgasturboaufladung – aufgeladene Brennkraftmaschine, muss zusätzlich berücksichtigt werden, dass sich der Ladedruck auf der Einlassseite mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluss auf die Abgasmenge hat. Die vorstehenden und vereinfacht dargestellten Zusammenhänge zwischen der Abgasmenge und der Last bzw. Drehzahl gelten dann folglich nicht in dieser allgemeinen Form. Daher stellt das erfindungsgemäße Verfahren ganz allgemein auf die Abgasmenge ab und nicht auf die Last bzw. die Drehzahl. Die beiden Fluten der Turbine werden daher miteinander verbunden, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
Vorteilhaft ist es, die beiden Fluten der Turbine miteinander zu verbinden, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen die erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese erste vorgebbare Abgasmenge.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Verbinden der beiden Fluten soll einen zu häufigen Moduswechsel zwischen Stoßaufladung und Stauaufladung verhindern, insbesondere einen Übergang zur Stauaufladung, wenn die Abgasmenge nur kurzzeitig die erste vorgebbare Abgasmenge überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den ersten vorgegebenen Wert für die Abgasmenge schwankt, ohne dass das Überschreiten einen Übergang zu Stauaufladung rechtfertigen würde.
Vorteilhaft ist es auch, die Abblaseleitung durch Verstellen des mindestens einen Absperrkörpers frei zu geben, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen eine zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt, wozu der mindestens eine Absperrkörper in eine zweite Arbeitsposition überführt wird.
Vorteilhaft ist es, die via Abblaseleitung am Laufrad vorbeigeführte Abgasmenge durch Verstellen des mindestens einen Absperrkörpers innerhalb der zweiten Arbeitsposition eingestellt wird.
Aus bereits zuvor genannten Gründen sind Varianten vorteilhaft, bei denen die Abblaseleitung durch Verstellen des mindestens einen Absperrkörpers freigegeben wird, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen die zweite vorgebbare Abgasmenge unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ kleiner ist als diese dritte vorgebbare Abgasmenge.
Vorteilhaft ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem ausgehend von miteinander verbundenen Fluten die beiden Fluten der Turbine durch Überführen des mindestens einen Absperrkörpers in die Ruheposition voneinander getrennt werden, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen eine dritte vorgebbare Abgasmenge unterschreitet.
Aus bereits zuvor genannten Gründen sind Varianten vorteilhaft, bei denen die beiden Fluten der Turbine voneinander getrennt werden, wenn die Abgasmenge der beiden Zylindergruppen die dritte vorgebbare Abgasmenge unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₃ kleiner ist als diese dritte vorgebbare Abgasmenge.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der 1a, 1b, 1c, 2a, 2b und 2c näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Doppelstromturbine geschnitten senkrecht zur Drehachse des Laufrades,
1b schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Zwillingsstromturbine geschnitten senkrecht zur Drehachse des Laufrades,
1c schematisch die in 1b dargestellte Zwillingsstromturbine entlang des in 1b kenntlich gemachten Schnitts A-A,
2a schematisch und quer geschnitten zu den beiden Fluten die zweiflutige Turbine einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem in der Ruheposition befindlichen Absperrkörper,
2b schematisch und quer geschnitten zu den beiden Fluten die in 2a dargestellte Turbine mit einem in der ersten Arbeitsposition befindlichen Absperrkörper, und
2c schematisch und quer geschnitten zu den beiden Fluten die in 2a dargestellte Turbine mit einem in der zweiten Arbeitsposition befindlichen Absperrkörper.
1a zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Doppelstromturbine 12 geschnitten senkrecht zur Drehachse 4 des Laufrades 3.
Die dargestellte Doppelstromturbine 12 ist ein Beispiel für eine zweiflutige Turbine 1, d. h. für eine Turbine 1 mit zwei Fluten 8, 9. Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist.
Die Doppelstromturbine 12 ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten 8, 9 übereinander angeordnet sind und das Laufrad 3 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen. Die beiden Eintrittsöffnungen 6, 7 der Doppelstromturbine 12 sind in einem Flansch 10 des Gehäuses 5 radial unterschiedlich weit beabstandet zur Welle 4 der Turbine 1 angeordnet, wobei sich an jede Eintrittsöffnung 6, 7 eine Flut 8, 9 der Turbine 1 anschließt und die beiden Fluten 8, 9 bis hin zum Laufrad 3 mittels Gehäusewandung 5 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise werden die Abgasströme der beiden Fluten 8, 9 getrennt voneinander auf das Laufrad 3 geleitet.
Die 1b und 1c zeigen schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Zwillingsstromturbine 11, wobei es sich bei 1b um einen Schnitt senkrecht zur Drehachse 4 des Laufrades 3 handelt und 1c die Zwillingsstromturbine 11 entlang des in 1b kenntlich gemachten Schnitts A-A zeigt.
Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Doppelstromturbine erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a und die dazugehörige Beschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die Zwillingsstromturbine 11 ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten 8, 9 nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad 3 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Die beiden Eintrittsöffnungen 6, 7 der Zwillingsstromturbine 11 sind radial gleichweit beabstandet zur Welle 4 der Turbine 1 im Gehäuse 5 angeordnet.
Die Gehäusewandung 5 der Zwillingsstromturbine 11 ist an ihrem freien Ende thermisch wesentlich höher belastet als die der Doppelstromturbine 12, insbesondere im Übergangsbereich zum Laufrad 3, wie aus 1c ersichtlich ist.
Die 2a, 2b und 2c zeigen schematisch und quer geschnitten zu den beiden Fluten 8, 9 die zweiflutige Turbine 1 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine. Es soll nur ergänzend zu den 1a, 1b und 1c ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf diese Figuren und die dazugehörige Figurenbeschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Um die beiden Fluten 8, 9 der Turbine 1 innerhalb des Turbinengehäuses 2 durch Freigeben bzw. Versperren eines Überströmkanals 14 stromaufwärts des Laufrades miteinander verbinden bzw. voneinander trennen zu können, ist eine Absperrvorrichtung 15 vorgesehen, die einen verstellbaren Absperrkörper 16 umfasst.
Bei der in den 2a, 2b und 2c dargestellten Ausführungsform ist der Absperrkörper 16 ein translatorisch verschiebbarer Kolben 16a (Doppelpfeil).
2a zeigt den Kolben 16a in der Ruheposition, in der die beiden Fluten 8, 9 der Turbine 1 voneinander getrennt sind. Durch Überführen des Kolbens 16 in eine erste Arbeitsposition wird ein Überströmkanal 14 freigegeben und die beiden Fluten 8, 9 der Turbine 1 werden miteinander verbunden, wie in 2b dargestellt. Durch ein weiteres Verschieben des Kolbens 16a gelangt der Kolben 16a in eine zweite Arbeitsposition, in der sowohl die beiden Fluten 8, 9 miteinander verbunden sind als auch eine Abblaseleitung 13 freigegeben wird. Die Abblaseleitung 13 zweigt stromaufwärts des Laufrades 3 aus dem Abgasabführsystem ab und führt das Abgas am Laufrad der Turbine 1 vorbei.
Bezugszeichenliste

1: zweiflutige Turbine
2: Turbinengehäuse
3: Laufrad
4: Drehachse, Welle
5: Gehäusewandung
6: erste Eintrittsöffnung
7: zweite Eintrittsöffnung
8: erste Flut
9: zweite Flut
10: Flansch
11: Zwillingsturbine
12: Doppelstromturbine
13: Abblaseleitung
14: Überströmkanal
15: Absperrvorrichtung
16: Absperrkörper
16a: Kolben

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (1), die ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Eintrittsöffnungen (6, 7) der Turbine (1) verbunden ist, wobei sich an jede Eintrittsöffnung (6, 7) eine Flut (8, 9) der Turbine (1) anschließt und die beiden Fluten (8, 9) bis hin zum Laufrad (3) mittels Gehäusewandung (5) voneinander getrennt sind, so dass die Abgasströme der beiden Fluten (8, 9) getrennt voneinander auf das Laufrad (3) geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden Fluten (8, 9) der Turbine (1) innerhalb des Turbinengehäuses (2) durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals (14) stromaufwärts des Laufrades (3) und stromabwärts der Eintrittsöffnungen (6, 7) miteinander verbindbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absperrvorrichtung (15) vorgesehen ist, die mindestens einen verstellbaren Absperrkörper (16) aufweist, wobei der mindestens eine Absperrkörper (16) in einer Ruheposition die beiden Fluten (8, 9) der Turbine (1) voneinander trennt, in einer ersten Arbeitsposition die beiden Fluten (8, 9) der Turbine (1) durch Freigeben des Überströmkanals (14) miteinander verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die beiden Fluten (8, 9) der Turbine (1) durch Freigeben des Überströmkanals (14) miteinander verbindet sowie eine Abblaseleitung (13) freigibt, die stromaufwärts des Laufrades (3) aus dem Abgasabführsystem abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Doppelstromturbine (12) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Doppelstromturbine (12) ist, bei der die zwei Fluten (8, 9) – in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse (4) des Laufrades (3) gesehen – aufeinander liegend angeordnet sind und zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts das Laufrad (3) spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Zwillingsstromturbine (11) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (1) eine Zwillingsstromturbine (11) ist, bei der die beiden Fluten (8, 9) das Laufrad (3) – nebeneinander angeordnet – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewandung (5) eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse (2) verbundene Wand ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblaseleitung (13) stromabwärts des Laufrades (3) in das Abgasabführsystem mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Absperrkörper (16) ein translatorisch verschiebbarer Kolben (16a) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Absperrkörper (16) ein drehbarer Kolben (16a) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Absperrkörper (16) ein Drehschieber ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.