-
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- – mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, und
- – die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine 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.
-
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.
-
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen mit 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 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.
-
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.
-
Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt. 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. Ein im Abgasabführsystem angeordneter Abgasturbolader führt aber zu einem erhöhten Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine, wodurch der Ladungswechsel nachteilig beeinflusst werden kann.
-
Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine des Laders zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine. Dadurch wird die Welle in Drehung versetzt. 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 Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
-
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 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.
-
Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker 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 ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
-
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 niedrigeren 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.
-
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
-
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts 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.
-
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 Drehzahl bzw. steigender Abgasmenge gemäß der sogenannten Registeraufladung Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
-
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Turbinen ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine Turbine, nämlich die Turbine eines ersten Abgasturboladers, ist dabei als zuschaltbare Turbine ausgebildet, welche bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt werden kann, d. h. aktiviert werden kann.
-
Um diese erste schaltbare Turbine deaktivieren bzw. aktivieren, d. h. schalten zu können, muss eine Schalteinrichtung vorgesehen werden. Vorliegend übernimmt der Ventiltrieb die Funktion einer Schalteinrichtung. Erfindungsgemäß wird hierzu jeder Zylinder mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist. Die Abgasleitungen der Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.
-
Ein Abschalten der zuschaltbaren Auslassöffnungen, deren Abgasleitungen unter Ausbildung des ersten Abgaskrümmers zu der ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, schneidet die Turbine des ersten Abgasturboladers von der Abgasversorgung ab, wodurch diese Turbine abgeschaltet wird. Nur bei größeren Abgasmengen bzw. höheren Drehzahlen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die schaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.
-
Damit kann die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden, insbesondere das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, d. h. kleinen Abgasmengen spürbar angehoben werden.
-
Dass die Schalteinrichtung erfindungsgemäß vom Ventiltrieb mit ausgebildet wird und nicht im Abgasabführsystem bzw. in der ersten Turbine selbst angeordnet ist, hat den wesentlichen Vorteil, dass diese Schalteinrichtung – das jeweilige Auslassventil ausgenommen – thermisch nicht hoch beansprucht wird. Eine Funktionsstörung oder Leckage der Schalteinrichtung ist daher nicht zu befürchten. Die Lebenserwartung der Schalteinrichtung steigt. Zudem ist ein Ventiltrieb zur Durchführung des Ladungswechsels bereits vorhanden, so dass keine zusätzliche Schalteinrichtung vorgesehen werden muss. Der bereits vorhandene Ventiltrieb muss lediglich schaltbar bzw. variabel ausgeführt werden.
-
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens verbessert ist.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- – mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, und
- – die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
- – sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind.
-
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt nicht nur über parallel angeordnete Turbinen, welche das Drehmomentangebot insbesondere im unteren Drehzahlbereich durch sukzessives Schalten spürbar verbessern, sondern darüber hinaus auch über eine sogenannte Teilabschaltung.
-
Ein Lösungsansatz zur Erhöhung des Wirkungsgrades, d. h. zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.
-
Der Wirkungsgrad eines Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
-
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf und tolerieren höhere Abgasrückführraten.
-
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
-
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbauchs bzw. Wirkungsgrades.
-
Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
-
Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
-
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
-
Zur Realisierung einer Teilabschaltung sind die mindestens zwei Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in der Art konfiguriert, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ist ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe ist als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet.
-
Darüber hinaus sind sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet, so dass die zweite Zylindergruppe bei Teilabschaltung vollständig vom Abgasabführsystem abgetrennt werden kann, d. h. nicht in das Abgasabführsystem hinein fördert.
-
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht neben dem Betriebsmodus der Teilabschaltung einen zweiten Betriebsmodus, in welchem die Turbine des zweiten Abgasturboladers von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine des ersten Abgasturboladers deaktiviert ist, wozu die zuschaltbaren Auslassöffnungen der Zylinder, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, deaktiviert werden. In einen dritten Betriebsmodus werden dann beide Turbinen der mindestens zwei Abgasturbolader von den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt. Hierzu werden sämtliche zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert und betätigt.
-
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht damit sowohl die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, als auch einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch.
-
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens verbessert ist.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe nur eine zuschaltbare Auslassöffnung aufweist, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet. Diese Ausführungsform erfüllt die Mindestanforderungen, die an die erste Zylindergruppe und ihre Auslassöffnungen zu stellen sind, damit die erste Turbine abgeschaltet werden kann. Hierzu müssen nämlich die Zylinder der ersten Zylindergruppe mindestens eine zuschaltbare Auslassöffnung aufweisen, wobei es sich um die Auslassöffnungen handelt bzw. handeln muss, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden.
-
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind. Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder der ersten Zylindergruppe auch ausschließlich mit zuschaltbaren Auslassöffnungen ausgestattet werden können und dies insbesondere der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entgegen steht, auch wenn dieses Ausstattungsmerkmal über die Mindestanforderungen hinausgeht.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu Gesamtabgasleitungen zusammenführen.
-
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf verringert die Masse und die Länge der Abgasabführsysteme von den Auslassöffnungen bis hin zu den Turbinen und den Abgasnachbehandlungssystemen. Dadurch lässt sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbolader gewährleisten. Zudem erreichen stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit. Gegebenenfalls kann an einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, in der Weise, dass die Krümmer nicht aus hochtemperaturfesten Werkstoffen gefertigt werden müssen.
-
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass eine Gesamtabgasleitung auf der von der Montage-Stirnseite abgewandten Seite einer anderen Gesamtabgasleitung angeordnet ist.
-
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform liegen die beiden Abgaskrümmer zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander, denn die eine Gesamtabgasleitung ist auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet.
-
Sind die mindestens zwei Zylinder entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnet, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mindestens zwei Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes versetzt angeordnet sind.
-
Vorliegend sind die Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet. Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes 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.
-
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens vier entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die außenliegenden Zylinder eine Zylindergruppe bilden und die mindestens zwei innenliegenden Zylinder eine andere Zylindergruppe bilden.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitungen stromabwärts der Turbinen zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen.
-
Dann kann eine gemeinsame Abgasnachbehandlung des gesamten Abgases der mindestens zwei Zylinder stattfinden, nämlich mit einem in der gemeinsamen Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungssystem. Dies können beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide sein.
-
Alternativ oder zusätzlich kann auch in jeder Gesamtabgasleitung ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen werden, gegebenenfalls auch mehrere Abgasnachbehandlungssysteme.
-
Dies ermöglicht eine motornähere Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder. Diese Ausführungsform trägt zudem dem Umstand Rechnung, dass die vorgesehenen Turbinen teils in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden. So werden die lastabhängig schaltbaren Zylinder in der Regel nur bei höheren Lasten, bei denen das Abgas eine hohe bzw. höhere Temperatur hat, zugeschaltet, wohingegen die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinder auch mit Abgas des Teillastbetriebs beaufschlagt werden, das eine niedrigere Temperatur aufweist. Unterschiedliche Abgastemperaturen können unterschiedliche Abgasnachbehandlungssysteme erfordern.
-
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in jeder Gesamtabgasleitung mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine angeordnet ist.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser Turbine eine Bypassleitung vom Abgasabführsystem abzweigt und ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen ist.
-
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
-
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des zweiten Abgasturboladers größer dimensioniert ist als die Turbine des ersten Abgasturboladers. Diese Ausführungsform erweitert den Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine, in welchem der zweite Betriebsmodus anwendbar ist hin zu höheren Drehzahlen.
-
Der Zylinderkopf einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Insbesondere bei der Integration der Abgaskrümmer steigt die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes nochmals, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind.
-
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
-
Vorteilhaft sind dabei 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.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel sich auch zwischen die Gesamtabgasleitungen erstreckt.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
-
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
-
2 schematisch das Kennfeld der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
-
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit zwei Abgasturboladern 8, 9 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 8, 9 umfasst eine Turbine 8a, 9a und einen Verdichter 8b, 9b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 8a, 9a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugleitungen 11a, 11b, Ladeluftkühler 10 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird.
-
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die vier Zylinder 3 sind konfiguriert und bilden zwei Zylindergruppen mit jeweils zwei Zylindern 3, wobei die beiden innenliegenden Zylinder 3 eine zweite Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden, und die beiden außenliegenden Zylinder 3 eine erste Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 auch bei Teilabschaltung in Betrieb sind.
-
Jeder Zylinder 3 verfügt über zwei Auslassöffnungen 4a, 4b, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließen, wobei sämtliche Auslassöffnungen 4a der beiden innenliegenden Zylinder 3, d. h. die Auslassöffnungen 4a der zweite Zylindergruppe, als zuschaltbare Auslassöffnungen 4a ausgebildet sind und die beiden außenliegenden Zylinder 3, d. h. die erste Zylindergruppe, jeweils nur eine zuschaltbare Auslassöffnung 4a aufweisen.
-
Die Abgasleitungen 5a, 5b der vier Zylinder 3 sind in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung 5a einer zuschaltbaren Auslassöffnung 4a jedes Zylinders 3 unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a in eine erste Gesamtabgasleitung 7a mündet, welche mit der Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 verbunden ist, und die Abgasleitungen 5a, 5b der anderen Auslassöffnungen 4a, 4b der vier Zylinder 3 unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammenführen, welche mit der Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 verbunden ist.
-
Die Abgasleitungen 5a, 5b der Zylinder 3 führen unter Ausbildung von zwei im Zylinderkopf 2 integrierten Abgaskrümmern 6a, 6b zu zwei Gesamtabgasleitungen 7a, 7b zusammen. Diese Gesamtabgasleitungen 7a, 7b führen wiederum zu einer gemeinsamen Abgasleitung 14 zusammen.
-
Stromabwärts jeder Turbine 8a, 9a ist jeweils ein Abgasnachbehandlungssystem 13a, 13b vorgesehen. Die Abgasnachbehandlungssysteme 13a, 13b können Unterschiede im Aufbau aufweisen und damit dem Umstand Rechnung tragen, dass die vorgesehenen Turbinen 8a, 9a zumindest zeitweise bei unterschiedlichen Randbedingungen betrieben werden und die Zustandsgrößen des turbinenzugehörigen Abgasstroms, nämlich Druck und Temperatur, stark differieren können.
-
Vorliegend führen die beiden Gesamtansaugleitungen 11a, 11b stromabwärts der Verdichter 8b, 9b zusammen, wobei der erste Verdichter 8b, insbesondere in einem zweiten Betriebsmodus B, vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt werden kann, damit der zweite Verdichter 9b nicht in den ersten Verdichter 8b hinein fördert. Hierzu ist stromabwärts des ersten Verdichters 8b ein Absperrelement angeordnet, das der Deaktivierung dieses Verdichters 8b dient. Damit der erste Verdichter 8b nicht gegen den Widerstand des verschlossenen Absperrelementes fördern muss, ist eine Bypassleitung vorgesehen, in der ebenfalls ein Absperrelement angeordnet ist.
-
Die zweite Turbine 9a ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt, deren Bypassleitung stromaufwärts der Turbine 9a aus der zweiten Gesamtabgasleitung 7b abzweigt und stromabwärts der Turbine 9a und stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 13b wieder in diese Gesamtabgasleitung 7b mündet.
-
Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 ermöglicht einen ersten Betriebsmodus A, der die Teilabschaltung betrifft. Während der Teilabschaltung sind die beiden innenliegenden Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet und die dazugehörigen Auslassöffnungen 4a ebenfalls. Dann versorgen die beiden außenliegenden Zylinder 3 der ersten Zylindergruppe beide Turbinen 8a, 9a mit Abgas, wodurch der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem gesenkt und der Ladungswechsel der ersten Zylindergruppe bei Teilabschaltung verbessert wird. Der Wirkungsgrad erhöht sich nochmals.
-
Gemäß einem zweiten Betriebsmodus B wird die Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt und die Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 ist deaktiviert, wozu die zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a der Zylinder 3, deren Abgasleitungen 4a in die erste Gesamtabgasleitung 7a münden, deaktiviert werden.
-
In einen dritten Betriebsmodus C werden dann beide Turbinen 8a, 9a von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt. Hierzu werden sämtliche zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a aktiviert und betätigt.
-
2 zeigt schematisch das Kennfeld der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit den drei unterschiedlichen Betriebsmodi A, B, C, wobei auf der Abszisse die Drehzahl nmot und auf der Ordinate die Last T aufgetragen ist.
-
Zu erkennen ist, dass die Drehzahl nmot, bei der geschaltet wird, von der Last T und die Last T, bei der geschaltet wird, von der Drehzahl nmot abhängig ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Zylinder
- 4a
- zuschaltbare Auslassöffnung
- 4b
- Auslassöffnung
- 5a
- Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung
- 5b
- Abgasleitung
- 6a
- erster Abgaskrümmer
- 6b
- zweiter Abgaskrümmer
- 7a
- erste Gesamtabgasleitung
- 7b
- zweite Gesamtabgasleitung
- 8
- erster Abgasturbolader
- 8a
- erste Turbine, zuschaltbare Turbine
- 8b
- erster Verdichter
- 9
- zweiter Abgasturbolader
- 9a
- zweite Turbine
- 9b
- zweiter Verdichter
- 10
- Ladeluftkühler
- 11a
- erste Ansaugleitung
- 11b
- zweite Ansaugleitung
- 12
- Plenum
- 13a
- Abgasnachbehandlungssystem
- 13b
- Abgasnachbehandlungssystem
- 14
- gemeinsame Abgasleitung
- A
- erster Betriebsmodus
- B
- zweiter Betriebsmodus
- C
- dritter Betriebsmodus
- T
- Drehmoment, Last
- nmot
- Drehzahl der Brennkraftmaschine
