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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft, einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter im Ansaugsystem und eine Turbine im Abgassystem auf einer drehbaren Welle angeordnet sind, und mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, bei der
- – die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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 mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.
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Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung der Brennräume bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.
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Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei das Teilstück der Gesamtabgasleitung, welches stromaufwärts einer in der Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine liegt, erfindungsgemäß als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird.
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Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine der Turbine mindestens eines Abgasturboladers zugeführt und gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.
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Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. 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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Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
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Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. 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 Hubraumleistung 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 Auslegung der Abgasturboaufladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
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Grundsätzlich könnte dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu geringeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen, d. h. großen Abgasmengen, uneingeschränkt möglich sein soll.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
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Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge, weil sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
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Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
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Grundsätzlich ist man bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise zum einen die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und zum anderen ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine und damit des Turboladers zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird daher auch grundsätzlich angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann.
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Um die Drehmomentcharakteristik der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu verbessern, werden die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern gruppenweise in der Art zusammen geführt, dass die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen zu der Turbine eines ersten Abgasturboladers und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen zu der Turbine eines zweiten Abgasturboladers führen. Die den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordnete erste Turbine ist damit als zuschaltbare Turbine ausgebildet. Nur bei größeren Abgasmengen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die zuschaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.
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Im Vergleich zu Konzepten, bei denen stromaufwärts der beiden Turbinen ein einziges zusammenhängendes Abgasleitungssystem vorgesehen ist, verbessert sich durch die vorstehend beschriebene Gruppierung, d. h. die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere bei kleinen Abgasströmen, auch weil das Leitungsvolumen stromaufwärts der kontinuierlich von Abgas durchströmten zweiten Turbine durch diese Maßnahme verkleinert wird, was bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, vorteilhaft ist und insbesondere das Ansprechverhalten verbessert.
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Es ergeben sich aber auch Nachteile. Die Drehzahl der zuschaltbaren Turbine fällt bei Deaktivierung stark ab, so dass bei erneutem Zuschalten das Laufzeug dieser Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich.
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Um eine Mindestdrehzahl der zuschaltbaren Turbine sicherzustellen, könnte die zuschaltbare Turbine auch bei abgeschalteten Auslassöffnungen mit einem kleinen Abgasstrom versorgt werden. Hierzu müsste eine entsprechende Leitung den zweiten Abgaskrümmer mit der ersten Turbine unter Verwendung zusätzlicher Absperrelemente verbinden, wodurch aber die Komplexität und der Raumbedarf des Abgasleitungssystems stromaufwärts der Turbinen in unvorteilhafter Weise zunehmen. Darüber hinaus würde durch die Leitung eine Verbindung zwischen beiden Abgaskrümmern geschaffen und die oben beschriebene Gruppierung aufgehoben werden. Die durch die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer erzielten Effekte würden zumindest abgeschwächt werden.
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Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft, einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase, mindestens einem Abgasturbolader, bei dem ein Verdichter im Ansaugsystem und eine Turbine im Abgassystem auf einer drehbaren Welle angeordnet sind, und mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, bei der
- – die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf der drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind.
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Erfindungsgemäß wird anstelle von zwei Turbinen eine zweiflutige Turbine eingesetzt. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik gleich mehrere Vorteile.
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Infolge des Wegfalls des zweiten Abgasturboladers ergeben sich Kostenvorteile. Gegenüber herkömmlichen Konzepten der Abgasturbolaufladung nimmt der Raumbedarf ab, wodurch eine kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine und ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum möglich werden, und dies nicht nur infolge des Wegfalls des zweiten Abgasturboladers. Vielmehr entfällt die Notwendigkeit, eine zusätzliche Leitung vorzusehen, um eine zuschaltbare Turbine auch bei Deaktivierung, d. h. bei abgeschalteten Auslassöffnungen, mit Abgas aus dem zweiten Abgaskrümmer zu versorgen und eine Mindestdrehzahl der Turbine zu gewährleisten.
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Werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen deaktiviert, wird erfindungsgemäß lediglich die mit den zuschaltbaren Auslassöffnungen via erstem Krümmer und erster Gesamtabgasleitung verbundene erste Flut der zweiflutigen Turbine nicht mit Abgas versorgt, während die andere zweite Flut, welche aus dem zweiten Krümmer mit Abgas gespeist wird, das mindestens eine auf der drehbaren Welle gelagerte Laufrad in Drehung versetzt und damit die Drehzahl der Welle aufrechterhält.
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Die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebene Problematik betreffend die Aufrechterhaltung einer Mindestdrehzahl der zuschaltbaren Turbine entfällt und damit die Notwendigkeit einer Verbindungleitung zwischen den Abgaskrümmern. Erfindungsgemäß wird die Gruppierung tatsächlich aufrechterhalten und es liegen zwei strikt und kontinuierlich voneinander getrennte Abgaskrümmer vor. Die dadurch erzielten Effekte kommen folglich vollumfänglich zur Geltung.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen. Erfindungsgemäß müssen nicht die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen, sondern nur die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern in der beschriebenen Weise verbunden werden.
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Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen.
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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 aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind.
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Vorliegend endet die beide Fluten trennende Gehäusewandung laufradseitig nicht unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad, sondern reicht bis an das mindestens eine Laufrad heran, soweit dies möglich ist und eine Drehung des
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mindestens einen Laufrades störungsfrei zulässt. Damit wird sichergestellt, dass die aus den beiden Krümmern stammenden Abgasströme voneinander getrennt auf das Laufrad geleitet werden und sich erst stromabwärts des Laufrades bzw. beim Durchströmen des Laufrades vereinigen und durchmischen. Der Trennungsgrad der Fluten wird maximiert und eine Interaktion zwischen den Fluten, insbesondere ein Überströmen, wird weitestgehend verhindert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu den zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen.
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Vorliegend werden die Abgasleitungen sowohl der zuschaltbaren Auslassöffnungen als auch der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt.
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Wie bereits erwähnt, ist man grundsätzlich bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um den Weg der heißen Abgase zum Turbinenlaufrad möglichst kurz und das Leitungsvolumen stromaufwärts des Turbinenlaufrades klein zu halten. Die weitestgehende Integration der Abgasleitungen bzw. der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf ist dabei zielführend.
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Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts einer Turbine verkleinert, so dass das Ansprechverhalten dieser Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht ist, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme erreichen schneller eine erforderliche Mindestbetriebstemperatur.
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Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf gestattet ein dichtes Packaging der Antriebseinheit und hat darüber hinaus den Vorteil, dass an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden kann, in der Art, dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.
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Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt zudem zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die eine Gesamtabgasleitung auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet ist.
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Bezüglich der Montage-Stirnseite sind die beiden Gesamtabgasleitungen auf unterschiedlicher Höhe angeordnet. Die beiden Abgaskrümmer liegen zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet sind.
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Der Versatz ∆ ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes, d. h. eine geringe Zylinderkopfhöhe, und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtabgasleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt trotz kompakter Bauweise genügend Bauraum zwischen den Gesamtabgasleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtabgasleitungen entlang der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert auch die Anordnung von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen, falls eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen gilt: 0,5d ≤ ∆ ≤ 1,5d, wobei d der Durchmesser einer Auslassöffnung bezeichnet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen gilt: 10mm ≤ ∆ ≤ 50mm.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten das mindestens eine Laufrad zumindest abschnittsweise nebeneinander angeordnet auf gleichgroßen Radien umschließen.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, bei der die beiden Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Welle des mindestens einen Laufrades – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts aufeinander liegend angeordnet sind, das mindestens eine Laufrad spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zu dem mindestens einen Laufrad hin geöffnet sind.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Radialturbine ist. Bei einer Radialturbine erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln 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 dem mindestens einen Laufrad häufig mittels Spiralgehäuse radial zugeführt und auf das mindestens eine Laufrad gelenkt, wobei die Abströmung häufig axial erfolgt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts der Turbine eine Bypassleitung von dem zweiten Abgaskrümmer abzweigt und ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen ist. Sobald der Abgasmassenstrom eine kritische Größe überschreitet, wird Abgas via Bypassleitung an der Turbine vorbeigeführt. Hierzu ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorzusehen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts der Turbine eine Bypassleitung von dem ersten Abgaskrümmer abzweigt und ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen ist. Sobald der Abgasmassenstrom eine kritische Größe überschreitet, wird Abgas via Bypassleitung an der Turbine vorbeigeführt. Hierzu ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung stromabwärts der Turbine in das Abgasabführsystem mündet. Vorteile bietet dies insbesondere hinsichtlich einer Abgasnachbehandlung, da das gesamte Abgas einer gemeinsamen Nachbehandlung unterzogen werden kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt. Vorteilhaft ist es, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, der eine Umgehung des Kühlers, insbesondere in der Warmlaufphase, zulässt.
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Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Die Anforderungen an den erfindungsgemäßen Zylinderkopf sind besonders hoch. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass aufgeladene Brennkraftmaschinen thermisch besonders hoch belastet sind. Bei einer Integration der Abgaskrümmer steigt die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes nochmals, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind.
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Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Der mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbare Zylinderblock kann ebenfalls mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet sein.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel sich auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen erstreckt.
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Dies schließt insbesondere Ausführungsformen ein, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel eine gedachte, um die beiden Gesamtabgasleitungen gelegte Einhüllende, d. h. Umhüllende durchtritt, d. h. schneidet.
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Im Bereich der Gesamtabgasleitungen ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet, da die beiden Gesamtabgasleitungen im Gegensatz zu einer zylinderzugehörigen Abgasleitung mit größeren Abgasmengen beaufschlagt werden. D. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt, ist vergleichsweise groß. Zum anderen sind die Gesamtabgasleitungen nahezu kontinuierlich mit heißen Abgasen beaufschlagt, wohingegen eine Abgasleitung eines Zylinders nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders von heißem Abgas durchströmt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder umfasst.
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Nach dem Stand der Technik werden Drei-Zylinder-Reihenmotoren selten mit zweiflutigen Turbinen kombiniert. Die Turbine wird dabei mittels eines einzelnen Abgaskrümmers mit Abgas versorgt, wobei erst in der Turbine bzw. im Turbinengehäuse eine Verteilung des Abgases auf beide Fluten erfolgt oder die Sperrung einer Flut bzw. die Querschnittveränderung einer Flut durchgeführt wird. Probleme ergeben sich dabei insbesondere hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit der Verstellvorrichtung im Gehäuse.
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Die erfindungsgemäße Gruppierung der Abgasleitungen hingegen gestattet den Einsatz einer zweiflutigen Turbine, ohne dass eine Verstellvorrichtung im Turbinengehäuse vorgesehen werden müsste, da beide Fluten separat mit Abgas versorgt werden. Gegenüber Konzepten, bei denen die Zylinder gruppiert werden, beispielsweise in der Art, dass die außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden und der innenliegende die zweite Gruppe bildet, ergeben sich aus der zeitlich gleichförmigeren Beaufschlagung der Fluten bzw. des mindestens einen Laufrades mit Abgas.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf vier entlang der Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnete Zylinder umfasst.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, die zur Betätigung der Ventile der zuschaltbaren Auslassöffnungen mit einem schaltbaren Ventiltrieb ausgestattet sind, wobei beispielsweise ein als Nockenfolgeelement dienender und im Kraftfluss befindlicher Stößel als zuschaltbarer Stößel ausgebildet wird.
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Die zweiflutige Turbine kann mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein, die durch Verstellen an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den
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1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine,
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1b schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
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2 in einer perspektivischen Darstellung die Sandkerne der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen gemäß der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit einem Abgasturbolader 8 ausgestattet ist. Der Abgasturbolader 8 umfasst eine zweiflutige Turbine 8a, 9 und einen Verdichter 8b. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 8a, 9 unter Energieabgabe. Der Verdichter 8b komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem 11 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird. Stromabwärts des Verdichters 8b ist ein Ladeluftkühler 13 in der Ansaugleitung 11a vorgesehen. Der Ladeluftkühler 13 senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler 13 zu einer besseren Füllung der Zylinder 3 mit Ladeluft beiträgt.
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Bei der in 1a dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1a, bei dem vier Zylinder 3 entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe, angeordnet sind. Jeder Zylinder 3 weist zwei Auslassöffnungen 4a, 4b auf, wobei sich an jede Auslassöffnung 4a, 4b eine Abgasleitung 5a, 5b zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder 3 anschließt.
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Jeweils eine Auslassöffnung 4a jedes Zylinders 3 ist als zuschaltbare Auslassöffnung 4a ausgebildet, die im Rahmen des Ladungswechsels nur dann geöffnet wird, wenn der dazugehörige Ventiltrieb aktiviert ist und die Drehzahl nmot eine vorgebbare Drehzahl übersteigt bzw. die Abgasmenge eine vorgegebene Abgasmenge übersteigt. Die Abgasleitungen 5a der zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a innerhalb des Zylinderkopfes 2 (nicht dargestellt) zu einer ersten Gesamtabgasleitung 7a zusammen.
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Die Abgasleitungen 5b der anderen Auslassöffnungen 4b sämtlicher Zylinder 3 führen unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b innerhalb des Zylinderkopfes 2 (nicht dargestellt) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammen.
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Die beiden Gesamtabgasleitungen 7a, 7b sind mit der zweiflutigen Turbine 8a, 9 des Laders 8 verbunden, wobei jeweils eine Gesamtabgasleitung 7a, 7b mit einer der zwei Fluten der Turbine 8a, 9 verbunden ist. Die Turbine 8a, 9 ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt. Stromaufwärts der Turbine 8a, 9 zweigt eine Bypassleitung 9a von dem zweiten Abgaskrümmer 6b ab. Ein in der Bypassleitung 9a vorgesehenes Absperrelement 9b dient der Einstellung der abgeblasenen Abgasmenge. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine vorgebbare Abgasmenge, wird Abgas via Bypassleitung 9a an der Turbine 8a, 9 vorbeigeführt.
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Wie aus 1a ersichtlich, sind der erste Abgaskrümmer 6a und der zweite Abgaskrümmer 6b stromaufwärts der Turbine 8a, 9 voneinander getrennt. Die zwei Fluten der Turbine 8a, 9 sind bis hin zum Laufrad in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen 7a, 7b mittels Gehäusewandung ebenfalls voneinander getrennt (nicht dargestellt).
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1b zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der in 1b dargestellten Brennkraftmaschine 1 um einen Drei-Zylinder-Reihenmotor 1b, bei dem drei Zylinder 3 entlang der Längsachse 10a des Zylinderkopfes 2 angeordnet sind.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Sandkerne zur Ausbildung der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen 5a, 5b, 7a, 7b gemäß der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
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2 zeigt somit das System der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen 5a, 5b, 7a, 7b bzw. Abgaskrümmern 6a, 6b, weshalb auch die Bezugszeichen für die Abgasleitungen 5a, 5b, 7a, 7b und die Abgaskrümmer 6a, 6b eingetragen sind.
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Bei den in 2 dargestellten Sandkernen bzw. Abgaskrümmern 6a, 6b handelt es sich um die Abgasleitungen 4a, 4b, 7a, 7b der vier Zylinder 3 des Vier-Zylinder-Reihenmotors gemäß 1a, bei dem die Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordnet sind. Jeder der vier Zylinder 3 ist mit zwei Auslassöffnungen 4a, 4b ausgestattet, wobei sich an jede Auslassöffnung 4a, 4b eine Abgasleitung 5a, 5b anschließt.
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Die Abgasleitungen 5a der zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a führen unter Ausbildung eines ersten integrierten Abgaskrümmers 6a innerhalb des Zylinderkopfes zu einer ersten Gesamtabgasleitung 7a und die Abgasleitungen 5b der anderen Auslassöffnungen 4b führen unter Ausbildung eines zweiten integrierten Abgaskrümmers 6b innerhalb des Zylinderkopfes zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammen.
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Wie aus 2 ersichtlich, sind die zwei Gesamtabgasleitungen 7a, 7b der integrierten Abgaskrümmer 6a, 6b entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. auch entlang einer Parallelen 10 zur Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet, wobei die Gesamtabgasleitung 7a des ersten integrierten Abgaskrümmers 6a auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der Gesamtabgasleitung 7b des zweiten integrierten Abgaskrümmers 6b liegt. D. h. die Gesamtabgasleitungen 7a, 7b liegen übereinander, wobei die zweite Gesamtabgasleitung 7b zwischen der Montage-Stirnseite und der ersten Gesamtabgasleitung 7a angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine
- 1a
- Vier-Zylinder-Reihenmotor
- 1b
- Drei-Zylinder-Reihenmotor
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Zylinder
- 4a
- zuschaltbare Auslassöffnung
- 4b
- Auslassöffnung
- 5
- Abgasabführsystem
- 5a
- Abgasleitung
- 5b
- Abgasleitung
- 6a
- erster Abgaskrümmer
- 6b
- zweiter Abgaskrümmer
- 7a
- erste Gesamtabgasleitung
- 7b
- zweite Gesamtabgasleitung
- 8
- Abgasturbolader
- 8a
- Turbine des Abgasturboladers
- 8b
- Verdichter des Abgasturboladers
- 9
- zweiflutige Turbine
- 9a
- Bypassleitung, Abblaseleitung
- 9b
- Absperrelement
- 10
- Parallele zur Längsachse des Zylinderkopfes
- 10a
- Längsachse des Zylinderkopfes
- 11
- Ansaugsystem
- 11a
- Ansaugleitung
- 12
- Plenum
- 13
- Ladeluftkühler
- 14
- Absperrelement, Drosselelement
- d
- Durchmesser einer Auslassöffnung
- nmot
- Drehzahl der Brennkraftmaschine
- nmot,down
- vorgebbare Drehzahl für das Deaktivieren der zuschaltbaren Auslassöffnungen
- ∆
- Abstand der Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes
