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Die Erfindung betrifft eine 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 Radialturbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Radialturbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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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.
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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.
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Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Ausgestaltung 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.
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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.
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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 Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
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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 und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden werden kann.
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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 gruppiert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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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 beispielsweise 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.
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Im Zusammenhang mit der Gruppierung der Zylinder zwecks Realisierung einer Stoßaufladung müssen zwei weitere Aspekte berücksichtigt werden, die bezüglich der Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen von hoher Relevanz sind. Zum einen werden die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung zu partizipieren und die Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Zum anderen ist man grundsätzlich bemüht, die im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen. Dies hat gleich mehrere Gründe und Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich, sondern auch das Volumen sowohl der einzelnen Abgaskrümmer als auch des gesamten Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt 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 Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts des Laufrades verbessert das Ansprechverhalten der Turbine.
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Dass sich die Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zum Laufrad der Turbine gemäß dem vorstehend beschriebenen Konzept deutlich verkürzen, kann aber auch Nachteile haben. Durch die motornahe Anordnung der Turbine werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen gegebenenfalls nicht ausreichend lange voneinander getrennt. Die Wegstrecke von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zum Laufrad, über welche bei der eingangs beschriebenen Brennkraftmaschine eine Trennung der Abgasabführsysteme erfolgt, kann sich im Einzelfall als zu kurz erweisen.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Trennung der Abgasabführsysteme optimiert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine 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 Radialturbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Radialturbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – jeder durch zwei benachbarte Laufschaufeln gebildete Laufradabschnitt des Laufrades mit einer Trennwand versehen ist, die den jeweiligen Laufradabschnitt in zwei Laufschaufelkanäle aufteilt, wobei jede Trennwand bei rotierendem Laufrad zumindest zeitweise und zumindest abschnittsweise die Fortsetzung der die beiden Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung bildet und die zwei Laufschaufelkanäle in dieser Weise die Fortsetzungen der zwei Fluten bilden.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen nicht nur bis zum Eintritt in das Laufrad voneinander getrennt, sondern darüber hinaus auch noch beim Durchströmen des Laufrades bzw. der Laufschaufeln. Hierzu werden die von den Laufschaufeln gebildeten Laufradabschnitte jeweils mittels Trennwand in zwei Laufschaufelkanäle aufgeteilt, weshalb die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen auch im Laufrad der Turbine beim Durchströmen des Laufrades nicht bzw. noch nicht miteinander kommunizieren können.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion des Laufrades, welche das Einbringen von Trennwänden in die Laufradabschnitte vorsieht, führt zu einer Verlängerung der Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zu der Verbindungsstelle der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen zu einem gemeinsamen Abgassystem.
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Dadurch wird die Erhaltung der Druckimpulse im Abgassystem zumindest bis zur Verbindungsstelle gewährleistet und somit die Stoßaufladung unterstützt. Die Nachteile, die sich aus einer motornahen Anordnung der Turbine und/oder einer Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf ergeben können, werden hierdurch in vorteilhafter Weise kompensiert. Auch wenn die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nicht zwingend eine aufgeladene Brennkraftmaschine sein muss bzw. ist, ist im Zusammenhang mit der Turbine häufiger von Stoßaufladung und Stauaufladung die Rede, um die beiden grundsätzlich voneinander verschiedenen Betriebsmodi der Turbine zu charakterisieren und zu unterscheiden.
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Da die Trennwände in Fortsetzung der Gehäusewandung an die Gehäusewandung anschließen, hat die erfindungsgemäße Konstruktion des Laufrades zudem den vorteilhaften Effekt, dass ein Rückströmen von aus einer Flut in das Laufrad eingeleitetem Abgas in die jeweils andere Flut verhindert wird.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Trennung der Abgasabführsysteme optimiert ist.
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Die bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eingesetzte Turbine ist eine Radialturbine, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Dabei wird das Abgas häufig mittels rundum verlaufenden Spiralgehäuse dem Laufrad radial zugeführt und auf das Laufrad gelenkt, wobei die Abströmung aus dem Laufrad häufig axial erfolgt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Konzept kann von dem Laufrad einer einflutigen Turbine ausgegangen werden, in dessen Laufradabschnitte zusätzlich Trennwände eingebracht werden. Weitere konstruktive Änderungen sind grundsätzlich nicht erforderlich.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten das mindestens eine Laufrad – nebeneinander angeordnet – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Laufschaufelkanäle jedes Laufradabschnitts radial unterschiedlich weit von der Drehachse des mindestens einen Laufrades beabstandet sind. Die beiden Laufradabschnitte umschließen bzw. umhüllen die Welle des Laufrades mantelartig auf unterschiedlich großen Durchmessern, d. h. unterschiedlich weit beabstandet von der Drehachse. Insofern werden ein innerer wellennaher Laufradabschnitt und ein äußerer Laufradabschnitt ausgebildet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Turbinengehäuse 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.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jede Trennwand einteilig mit den beiden Laufschaufeln des dazugehörigen Laufradabschnittes ausgebildet ist, so dass das Laufrad ein monolithisches Bauteil darstellt.
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Das Laufrad wird vorliegend aus einem Stück als monolithisches Bauteil gefertigt, so dass zwischen Trennwand und Laufschaufel eine unlösbare Verbindung durch Stoffschluss eingebracht wird. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile reduziert, wodurch die Herstellungskosten und Montagekosten verringert werden. Des Weiteren weist das monolithische Laufrad ein geringeres Gewicht auf als ein modular aufgebautes Laufrad, da keine Befestigungsmittel zum Ausbilden einer Verbindung benötigt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das mindestens eine Laufrad modular aufgebaut ist, wobei jede Trennwand mit den Laufschaufeln des dazugehörigen Laufradabschnittes verbunden ist bzw. wird.
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Diese Ausgestaltung des Laufrades gestattet zum einen die Nachrüstung eines bereits vorhandenen Laufrades einer einflutigen Turbine, d. h. die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Laufrades unter Verwendung eines bereits vorhandenen Laufrades. Zum anderen können die Laufschaufeln und die Trennwand aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet werden. Ein modularer Aufbau ermöglicht zudem in einfacher Weise eine Variation der Laufradkonstruktion, beispielweise ein Laufrad für eine Turbine mit mehr als zwei Fluten. So kann das erfindungsgemäße Konzept beispielsweise auch Anwendung finden bei vierflutigen Turbinen, bei denen dann jeder durch zwei benachbarte Laufschaufeln gebildete Laufradabschnitt des Laufrades mit drei Trennwänden versehen wird, die den jeweiligen Laufradabschnitt in Fortsetzung der vier Fluten in vier Laufschaufelkanäle aufteilen. Das vorstehend Gesagte gilt grundsätzlich für mehrflutige Turbinen, d. h. für Turbinen mit n Fluten (n ≥ 2) und zwar auch bei einer monolithischen Bauweise des Laufrades.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen auch stromabwärts des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Wegstrecke von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zu der Verbindungsstelle der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen weiter verlängert.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die benachbart zur drehbaren Welle angeordneten Laufschaufelkanäle in eine erste Sammelleitung münden und die radial weiter von der Drehachse beabstandeten Laufschaufelkanäle in eine zweite Sammelleitung münden.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein segmentiertes Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist, das zwei kanalförmige voneinander getrennte Segmente aufweist, wobei die benachbart zur drehbaren Welle angeordneten Laufschaufelkanäle mit einem ersten Segment und die radial weiter von der Drehachse beabstandeten Laufschaufelkanäle mit einem zweiten Segment verbunden sind.
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Die – vorzugsweise gasdicht – voneinander getrennten kanalförmigen Segmente des Abgasnachbehandlungssystems gewährleisten, dass die Abgasströmungen der einzelnen Zylindergruppen der Brennkraftmaschine auch während der Abgasnachbehandlung voneinander getrennt sind.
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Dabei werden die aus den Zylindern abgeführten Abgase via Krümmer, Laufrad bzw. Laufschaufelkanal sowie gegebenenfalls via Sammelleitung den einzelnen kanalförmigen Segmenten zugeführt, so dass die Abgasströmungen der Zylindergruppen stromaufwärts und während der Nachbehandlung voneinander getrennt sind. Die Druckimpulse bzw. der Vorauslassstoß eines Zylinders kann sich daher nicht ausgehend vom Abgasnachbehandlungssystem in Richtung eines anderen Zylinders fortpflanzen und den Ladungswechsel dieses Zylinders nachteilig beeinträchtigen bzw. die Druckimpulse im Abgasabführsystem der anderen Zylindergruppe abbauen bzw. abschwächen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine – zwei benachbarte Fluten trennende – Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist, welches so nahe wie möglich an das mindestens einen Laufrad heranreicht.
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Diese Ausführungsform zielt darauf ab, die Interaktion zwischen den Abgassystemen zu minimieren, d. h. den Trennungsgrad der Fluten bzw. der Abgasabführsysteme zu maximieren. Der Hintergrund dieser Maßnahme ist, dass ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen Gehäusewandung und Laufrad verbleiben muss, damit das Laufrad ungehindert rotieren kann, ohne an der Gehäusewandung zu reiben. Vorliegend soll dieser Spalt so schmal wie möglich ausgeführt werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.
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Die eingangs beschriebene Stoßaufladung hat nicht nur Vorteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse 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 der 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.
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Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine am effektivsten betrieben wird, ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts des Turbinenlaufrades bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
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Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts des Turbinenlaufrades können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Hinsichtlich einer Stauaufladung ist es folglich vorteilhaft, die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zusammen zu führen, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts einer Turbine zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
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Insofern ist es vorteilhaft, die Möglichkeit vorzusehen, die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbinden zu können.
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Dabei können mehrere Konzepte unterschieden werden, beispielsweise ein Konzept, bei dem sich die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen miteinander verbinden bzw. voneinander trennen lassen. Das Abgasabführsystem wird dann entsprechend der momentanen Zielsetzung konfiguriert, um die Brennkraftmaschine durch Trennen der Abgaskrümmer entsprechend einer Stoßaufladung oder durch Verbinden der Abgaskrümmer entsprechend einer Stauaufladung aufladen zu können. Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Konzept ist, dass durch die Verbindung der Krümmer eine Verbindung nahe der Auslassöffnungen der Zylinder realisiert wird, wodurch der oben beschriebenen Restgasproblematik bzw. der damit zusammenhängenden Klopfproblematik Vorschub geleistet wird.
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Gemäß einem alternativen Konzept werden die Fluten der mehrflutigen Turbine im Turbinengehäuse miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt. Die Fluten sind dann entweder voneinander getrennt oder miteinander verbunden, wobei die Brennkraftmaschine mittels Stoßaufladung oder mittels Stauaufladung betrieben und aufgeladen wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen führen.
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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 die bereits erwähnten Vorteile. Die Abgasenthalpie kann optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.
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Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Zudem kann auf diese Weise an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.
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Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts des Laufrades der Turbine unterstützt die Stoßaufladung im unteren Drehzahlbereich.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Vorzugsweise ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann eine mittels mechanischen Laders aufgeladene Brennkraftmaschine sein, bei der die zweiflutige Turbine einem anderen Zweck als der Aufladung dient. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch eine nicht aufgeladene Brennkraftmaschine sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 fragmentarisch und teilweise geschnitten in einer schematischen perspektivischen Darstellung die zweiflutige Radialturbine einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt fragmentarisch und teilweise geschnitten in einer schematischen perspektivischen Darstellung die zweiflutige Radialturbine 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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Die dargestellte zweiflutige Radialturbine 1 ist ein Beispiel für eine Zwillingsstromturbine 11, d. h. für eine Turbine 1 mit zwei Fluten 5, 6. Die Turbine 1 verfügt über ein Turbinengehäuse 2, in dem ein Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist.
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Die Zwillingsstromturbine 11 ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten 5, 6 nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad 3 zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Die beiden Fluten 5, 6 sind dabei radial gleichweit beabstandet zur Welle 4 der Turbine 1 im Gehäuse 2 angeordnet und werden bis hin zum Laufrad 3 mittels Gehäusewandung 2a voneinander getrennt. Die Gehäusewandung 2a weist laufradseitig ein freies zungenartiges Ende auf, welches so nahe wie möglich an das Laufrad 3 heranreicht.
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Das Laufrad 3 verfügt über eine tellerförmige Rückseite 3b, welche das Ende der Welle 4 des Laufrades 3 mit ausbildet. Die Anströmung der Laufschaufeln 3a des Laufrades 3 erfolgt im Wesentlichen radial, d. h. von außen nach innen. Die Laufschaufeln 3a, die an die Rückseite 3b und die Welle 4 flügelartig anschließen, leiten das Abgas der Zylinder durch das Laufrad 3, wobei das Abgas eine Richtungsänderung erfährt und das Laufrad 3 axial verlässt, d. h. die Abströmung aus dem Laufrad 3 erfolgt axial.
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Jeder durch zwei benachbarte Laufschaufeln 3a gebildete Laufradabschnitt 7 des Laufrades 3 ist mit einer Trennwand 10 versehen, die den jeweiligen Laufradabschnitt 7 in zwei Laufschaufelkanäle 8, 9 aufteilt. Die Trennwand 10 bildet bei rotierendem Laufrad 3 zumindest zeitweise und zumindest abschnittsweise die Fortsetzung der die beiden Fluten 5, 6 voneinander trennenden Gehäusewandung 2a. Auf diese Weise bilden die zwei Laufschaufelkanäle 8, 9 die Fortsetzungen der zwei Fluten 5, 6 und die Abgasströme 12, 13 der Zylindergruppen werden auch beim Durchströmen des Laufrades 3 voneinander getrennt.
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Das Einbringen von Trennwänden 10 in die Laufradabschnitte 7 verlängert die Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis hin zu der Verbindungsstelle der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweiflutige Radialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Gehäusewandung
- 3
- Laufrad
- 3a
- Laufschaufel
- 3b
- Rückseite des Laufrades
- 4
- Drehachse, Welle
- 5
- erste Flut
- 6
- zweite Flut
- 7
- Laufradabschnitt
- 8
- erster Laufschaufelkanal
- 9
- zweiter Laufschaufelkanal
- 10
- Trennwand
- 11
- Zwillingsstromturbine
- 12
- Abgasstrom der ersten Zylindergruppe
- 13
- Abgasstrom der zweiten Zylindergruppe
