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Die Turboaufladung eines Verbrennungsmotors kann Emissionen nach außen reduzieren und die spezifische Leistungsabgabe des Motors erhöhen, da die Motorzylinder verlassendes Abgas durch eine Turbine geleitet und die sich ergebende Energie zum Antrieb eines Verdichters verwendet werden kann. Eine beispielhafte Konfiguration integriert die von den Motorzylindern führenden Auslasskanäle sowie das Turbinengehäuse in den Zylinderkopf selbst.
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Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass das Erreichen von Abgasimpulstrennung eine für die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs günstige Auslassnockendauer, das Verbessern des Drehmoments bei niedriger Motordrehzahl und das Erreichen einer besseren spezifischen Leistungsabgabe als aktuelle Ausführungen ermöglicht. Eine in den Zylinderkopf integrierte Turbine reduziert gleichzeitig Kosten und verringert den Platzbedarf für den Motor. Zum Beispiel kann eine integrierte Turbine die Gesamtgröße des Systems verkleinern, während sie den Wirkungsgrad des Motors und die spezifische Leistung erhöht. Eine integrierte Axialturbine kann auch ein schnelleres instationäres Ansprechverhalten als eine entsprechende Radialturbine haben. Zum Aufrechterhalten einer effizienten Verbrennung bei langen Auslassnockenereignissen muss jedoch verhindert werden, dass Restabgas während eines Abgas-Vorauslassereignisses in die Motorzylinder eintritt, wenn mehrere Auslassventile geöffnet sind. Dies wird mit vollständiger Impulstrennung des Abgases bis zu dem Punkt, an dem das Abgas in die Turbine eintritt, erreicht. Bei einem I4-Motor mit einer herkömmlichen Zündfolge kann dies zum Beispiel durch Miteinanderverbinden der die Zylinder 1 und 4 verlassenden Auslasskanäle zu einer ersten Auslassleitung und Miteinanderverbinden der die Zylinder 2 und 3 verlassenden Auslasskanäle zu einer zweiten Auslassleitung erreicht werden. Die Ausgänge der beiden Leitungen können mit dem Einlass der Turbine verbunden sein.
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Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass die aktuellen Krümmerausführungen, die eine vollständige Impulstrennung erreichen, für Radialturbinen bestimmt sind und möglicherweise nicht auf Systeme, die Axialturbinen verwenden, anwendbar sind. Der Einbau solcher Krümmer kann einen externen Turbolader erfordern, wodurch sich die Kosten erhöhen würden und sich das instationäre Ansprechverhalten verschlechtern würde.
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Den obigen Problemen kann in einem Beispiel durch ein System, das einen Zylinderkopf mit einer ersten und einer zweiten Auslassleitung, die getrennt an die erste und zweite Gruppe von Zylindern gekoppelt sind, umfasst, zumindest teilweise begegnet werden, wobei sowohl die erste als auch die zweite Auslassleitung zu einer im Zylinderkopf auf einem Lager angebrachten abgasgetriebenen Turbine führen, wobei das Lager in einem durch den Zylinderkopf gestützten Lagergehäuse positioniert ist.
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Auf diese Weise kann das System Impulstrennung von die Zylinder verlassendem Abgas über die ganze Strecke bis zum Einlass einer Turbine gestatten, während eine kompakte Konfiguration aufrechterhalten wird. Ein solches Trennen von Abgasimpulsen kann zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Abgaszufuhr zu einer Turbine führen.
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Des Weiteren können die Ausgänge sowohl der ersten als auch der zweiten Leitung eine einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisende Kupplung mit einem Gassammler der Turbine bilden, und die beiden halbkreisförmigen Querschnitte sowohl des ersten als auch des zweiten Ausgangs können so bezüglich einander positioniert sein, dass sie zusammen einen ringförmigen Ausgang bilden. Auf diese Weise können die Stator- und Rotorstufen einer Axialturbine in die im Zylinderkopf erzeugte Öffnung eingesetzt werden.
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In einem anderen Beispiel umfasst ein turboaufgeladener Motor einen Zylinderkopf, der zwei oder mehr Auslassleitungen bildet, die jeweils ein Ausgangsende an einem Turbinenrad oder Sammler aufweisen, wobei eine Öffnung des Ausgangsendes einer ersten Auslassleitung eine halbkreisförmige Ringform aufweist und eine Öffnung des Ausgangsendes einer zweiten Abgasaustrittsleitung eine halbkreisförmige Ringform aufweist, wobei die Ausgangsenden gegenüber einander positioniert sind, um einen kreisförmigen Ring zu bilden. Ferner kann die erste Auslassleitung an äußere Motorzylinder gekoppelt sein, und die zweite Auslassleitung kann an innere Motorzylinder gekoppelt sein. Auf diese Weise kann eine Impulstrennung bis zu einer im kreisförmigen Ring in den Zylinder eingesetzten Turbine erreicht werden.
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In einem anderen Beispiel umfasst eine Motorkühlung: Kombinieren in einem Zylinderkopf von Abgas von inneren in Reihe angeordneten Zylindern eines Motors mit einem ersten halbkreisförmigen ringförmigen Auslass, Kombinieren im Zylinderkopf von Abgas von den äußeren in Reihe angeordneten Zylindern eines Motors mit einem gegenüber dem ersten halbkreisförmigen ringförmigen Auslass positionierten zweiten halbkreisförmigen ringförmigen Auslass, und Leiten von Abgas aus dem ersten und zweiten Auslass durch eine Axialturbine, wobei im Zylinderkopf Lager angebracht sind. Ferner das Einstellen eines Wastegate-Ventils zur Einstellung von Strömung durch eine im Zylinderkopf positionierte Wastegate-Leitung erfolgen. Auf diese Weise kann der Abgasstrom im Zylinderkopf dahingehend gesteuert werden, eine optimale Motorleistung zu erreichen.
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Bei anderen Ausführungsformen können die Auslassleitungen in den verschiedensten Winkeln zur Turbine in einen Turbinensammler eintreten, um die gewünschte relative Gasgeschwindigkeit zu erreichen. Das Ausgangsende der Auslassleitungen kann dazu angeordnet sein, beliebige verschiedene Sektoren der Turbine, von der Hälfte des Turbinenumfangs zu einem sehr kleinen Teil des Turbinenumfangs abzudecken. Diese Sektorkonfiguration kann einen einzigen Sektor für jeden Zylinder oder für Gruppen von Zylindern enthalten. Auf diese Weise kann über die ganze Strecke bis zum Turbinensammler eine Impulstrennung erreicht werden, ohne Abgasimpulse zu kombinieren.
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Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
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1 zeigt ein Schemadiagramm eines turboaufgeladenen Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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2A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfs gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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2B zeigt eine perspektivische Ansicht eines an ein Lagergehäuse gekoppelten Zylinderkopfs.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Auslasskrümmer- und Turboladeranordnung.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer mit einer Öl- und Kühlmittelversorgung ausgestatteten Turboladeranordnung.
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5A zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Auslasskrümmers.
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5B zeigt eine perspektivische Ansicht des Eintrittsendes einer beispielhaften Turbine.
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2A, 2B, 3 und 5A bis B sind ungefähr maßstäblich gezeichnet, aber es können auch andere Abmessungen verwendet werden.
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Die folgende Beschreibung betrifft Systeme zum Betrieb eines Motors, der ein Turboladersystem enthält, wie zum Beispiel in 1 gezeigt.
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1 ist ein Schemadiagramm, das einen beispielhaften Motor 10 zeigt, der in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthalten ist. Der Motor 10 enthält einen Zylinderkopf 175, der mit vier Zylindern 30 gezeigt wird. Gemäß der vorliegenden Offenbarung können jedoch auch andere Anzahlen von Zylindern verwendet werden. Der Motor 10 kann durch ein eine Steuerung 12 enthaltendes Steuersystem und durch Eingabe von einem Fahrzeugbediener 132 über eine Eingabevorrichtung 130 zumindest teilweise gesteuert werden. In diesem Beispiel enthält die Eingabevorrichtung 130 ein Fahrpedal und einen Pedalstellungssensor 134 zum Erzeugen eines proportionalen Pedalstellungssignals PP. Jede Brennkammer (zum Beispiel jeder Zylinder) 30 des Motors 10 kann Brennkammerwände mit einem darin positionierten (nicht gezeigten) Kolben enthalten. Die Kolben können an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, so dass eine Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein (nicht gezeigtes) Zwischengetriebesystem an mindestens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann ein Startermotor über ein Schwungrad an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startbetrieb des Motors 10 zu ermöglichen.
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Die Brennkammern 30 können Einlassluft vom Einlasskrümmer 44 über den Einlassdurchgang 42 empfangen und können Verbrennungsgase über den Auslassdurchgang 48 ablassen. Der Einlasskrümmer 44 und der Auslasskrümmer 46 können über (nicht gezeigte) Einlassventile bzw. Auslassventile mit der Brennkammer 30 gezielt in Verbindung treten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Einlassventile und/oder zwei oder mehr Auslassventile enthalten. Kraftstoffeinspritzdüsen 50 sind in der Darstellung direkt an die Brennkammer 30 gekoppelt, um Kraftstoff proportional zu der Impulsbreite des von der Steuerung 12 empfangenen Signals FPW direkt darin einzuspritzen. Auf diese Weise sorgt die Kraftstoffeinspritzdüse 50 für die so genannte Direkteinspritzung von Kraftstoff in die Brennkammer 30. Die Kraftstoffeinspritzdüse kann zum Beispiel an der Seite der Brennkammer oder im Oberteil der Brennkammer angebracht sein. Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzdüse 50 durch ein nicht gezeigtes Kraftstoffsystem, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und eine Kraftstoff-Verteilerleitung enthält, zugeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Brennkammern 30 als Alternative oder zusätzlich dazu eine Kraftstoffeinspritzdüse enthalten, die in einer die so genannte Saugkanaleinspritzung von Kraftstoff in den Einlasskanal stromaufwärts jeder Brennkammer 30 bereitstellenden Konfiguration im Einlasskrümmer 44 angeordnet ist.
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Der Einlassdurchgang 42 kann Drosseln 21 und 23 mit Drosselplatten 22 bzw. 24 enthalten. In diesem bestimmten Beispiel kann die Stellung der Drosselplatten 22 und 24 durch die Steuerung 12 über Signale geändert werden, die einem Aktuator, der mit den Drosseln 21 und 23 enthalten ist, zugeführt werden. In einem Beispiel können die Aktuatoren elektrische Aktuatoren (zum Beispiel Elektromotoren) sein, wobei diese Konfiguration gemeinhin als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC – electronic throttle control) bezeichnet wird. Auf diese Weise können die Drosseln 21 und 23 betätigt werden, um die der Brennkammer 30 unter anderen Motorzylindern zugeführte Einlassluft zu ändern. Die Stellung der Drosselplatten 22 und 24 kann der Steuerung 12 durch das Drosselklappenstellungssignal TP zugeführt werden. Der Einlassdurchgang 42 kann ferner einen Luftmassensensor 120 und einen Einlasskrümmerdrucksensor 122 zur Bereitstellung jeweiliger Signale MAF (mass airflow – Luftmasse) und MAP (manifold air pressure – Einlasskrümmerdruck) für die Steuerung 12 enthalten.
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Der Auslassdurchgang 48 kann Abgase von den Zylindern 30 empfangen. Die Zylinder 30 können durch mehrere Ventile und Kanäle, die unten unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben werden, an den Auslassdurchgang 48 gekoppelt sein. Die mehreren Ventile können geöffnet sein, um zu gestatten, dass Abgas die Zylinder 30 verlässt und in die Auslasskanäle 47 eintritt, die das Abgas zum Auslassdurchgang 48 weiterleiten. In dem in 1 gezeigten Beispiel befinden sich die Auslasskanäle 47 im Zylinderkopf 175. Es versteht sich, dass solch eine Ausgestaltung als "integrierter Auslasskrümmer" bezeichnet werden kann, wobei der Auslasskrümmer 46 im Zylinderkopf 175 positioniert ist.
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Der Abgassensor 128 ist in der Darstellung stromaufwärts einer Abgasreinigungsvorrichtung 78 an den Auslassdurchgang 48 gekoppelt. Der Sensor 128 kann unter verschiedenen geeigneten Sensoren dazu ausgewählt sein, eine Anzeige des Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bereitzustellen, wie zum Beispiel ein linearer Sauerstoffsensor oder UEGO-(universal or wide-range exhaust gas oxygen), ein Zweizustands-Sauerstoffsensor oder ein EGO-, ein NOx-, ein HC- oder ein CO-Sensor. Die Abgasreinigungsvorrichtung 78 kann ein Dreiwegekatalysator (TWC – three way catalyst), eine NOx-Falle, verschiedene andere Abgasreinigungsvorrichtungen oder Kombinationen davon sein. Die Abgastemperatur kann durch einen oder mehrere (nicht gezeigte) Temperatursensoren gemessen werden, die im Auslassdurchgang 48 positioniert sind. Als Alternative dazu kann die Auslasstemperatur basierend auf Motorbetriebsbedingungen, wie zum Beispiel Drehzahl, Last, Luft-Kraftstoff-Verhältnis (AFR), Zündzeitpunktverstellung nach spät usw., abgeleitet werden.
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In der Darstellung von 1 ist die Steuerung 12 ein Mikrocomputer, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangs-Ports (I/O) 104, ein elektronisches Speichermedium für ausführbare Programme und Kalibrierungswerte, das in diesem speziellen Beispiel als ein Nurlesespeicher(ROM-)Chip 106 gezeigt wird, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 108, einen Erhaltungsspeicher (KAM) 110 und einen Datenbus enthält. Die Steuerung 12 kann neben den zuvor besprochenen Signalen verschiedene Signale von an den Motor 10 gekoppelten Sensoren erhalten, darunter Messung der eingeleiteten Luftmasse (MAF – mass air flow) von dem Luftmassensensor 120; die Motorkühlmitteltemperatur (ECT – engine coolant temperature) von dem Temperatursensor 112, der an einer Stelle im Motor 10 schematisch gezeigt wird; ein Profilzündungsaufnahmesignal (PIP – profile ignition pickup signal) von dem an die Kurbelwelle 40 gekoppelten Hall-Sensor 118 (oder Sensor anderer Art); die Drosselstellung (TP) von einem Drosselstellungssensor, wie besprochen; und ein Absolutkrümmerdrucksignal, MAP (manifold pressure signal), von dem Sensor 122, wie besprochen. Ein Motordrehzahlsignal RPM (Revolutions per Minute) kann von der Steuerung 12 aus dem Signal PIP generiert werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann dazu verwendet werden, eine Angabe hinsichtlich Vakuum oder Druck in dem Einlasskrümmer 44 zu liefern. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Kombinationen der obigen Sensoren verwendet werden können, wie etwa ein MAF-Sensor ohne einen MAP-Sensor oder umgekehrt. Bei stöchiometrischem Betrieb kann der MAP-Sensor eine Angabe über das Motordrehmoment abgeben. Weiterhin kann dieser Sensor zusammen mit der erfassten Motordrehzahl eine Schätzung der in den Zylinder eingeleiteten Ladung (einschließlich Luft) liefern. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der auch als Motordrehzahlsensor verwendet wird, eine vorbestimmte Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Impulsen pro Umdrehung der Kurbelwelle 40 erzeugen. In einigen Beispielen kann das Nurlesespeicher-Speichermedium 106 mit rechnerlesbaren Daten programmiert sein, die Anweisungen darstellen, die durch den Prozessor 102 ausführbar sind.
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Ferner kann der Motor 10 eine Verdichtungsvorrichtung, wie zum Beispiel einen Turbolader oder Auflader, enthalten, der mindestens einen Verdichter 60 enthält, der stromaufwärts des Einlasskrümmers 44 angeordnet ist. Bei einem Turbolader kann der Verdichter 60 durch eine Turbine 62, zum Beispiel über eine Welle 160 oder eine andere Kopplungsanordnung, zumindest teilweise angetrieben werden. Die Turbine 62 kann den Auslasskrümmer 46 zum Beispiel über einen integrierten Auslasskrümmer, an den Auslassdurchgang 48 koppeln, wie oben beschrieben. Es können verschiedene Anordnungen vorgesehen sein, um den Verdichter anzutreiben. Bei einem Auflader kann der Verdichter 60 zumindest teilweise durch den Motor und/oder eine elektrische Maschine angetrieben werden und enthält möglicherweise keine Turbine. Somit kann das Ausmaß der Verdichtung, mit der ein oder mehrere Zylinder des Motors über einen Turbolader oder Auflader beaufschlagt werden, durch die Steuerung 12 variiert werden. In einigen Fällen kann die Turbine 62 zum Beispiel einen elektrischen Generator antreiben, um der Batterie über einen Turbotreiber Energie zuzuführen. Dann kann Energie von der Batterie zum Antrieb des Verdichters 60 über einen Motor verwendet werden. Ferner kann ein Sensor 123 im Einlasskrümmer 44 angeordnet sein, um der Steuerung 12 ein Aufladesignal zuzuführen.
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Ferner kann der Auslassdurchgang 48 ein Wastegate 26 zum Wegleiten von Abgas von der Turbine 62 enthalten. Bei einigen Ausführungsformen kann das Wastegate 26 ein mehrstufiges Wastegate sein, wie zum Beispiel ein zweistufiges Wastegate, wobei eine erste Stufe zur Steuerung des Aufladedrucks und eine zweite Stufe zur Erhöhung des Wärmeflusses zu Abgasreinigungsvorrichtung 78 konfiguriert sind. Das Wastegate 26 kann mit einem Aktuator 150 betrieben werden, bei dem es sich zum Beispiel um einen elektrischen Aktuator handeln kann, der Permanentmagneten enthält. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann es sich bei dem Aktuator 150 um einen Elektromotor, einen druckgesteuerten Aktuator oder einen unterdruckgesteuerten Aktuator handeln. Unten folgen zusätzliche Details über das Wastegate 26 und den Aktuator 150. Der Einlassdurchgang 42 kann ein Verdichterbypassventil 27 enthalten, das dazu konfiguriert ist, Einlassluft um den Verdichter 60 herumzuleiten. Das Wastegate 26 und/oder das Verdichterbypass-Ventil 27 können durch die Steuerung 12 über Aktuatoren (zum Beispiel den Aktuator 150) zum Öffnen, wenn zum Beispiel ein niedrigerer Aufladedruck erwünscht ist, gesteuert werden. Der Einlassdurchgangs 42 kann ferner einen Ladeluftkühler (CAC – charge air cooler) 80 (zum Beispiel einen Zwischenkühler) enthalten, um die Temperatur der turboaufgeladenen oder aufgeladenen Einlassgase zu verringern. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ladeluftkühler 80 ein Luft-Luft-Wärmetauscher sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Ladeluftkühler 80 ein Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscher sein.
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Ein Abgasrückführungssystem (AGR-System) kann einen Sollabgasanteil von dem Auslassdurchgang 48 über einen AGR-Durchgang 140 zu dem Einlassdurchgang 42 leiten. Die dem Einlassdurchgang 42 zugeführte AGR-Menge kann durch die Steuerung 12 über ein AGR-Ventil 142 variiert werden. Weiterhin kann ein (nicht gezeigter) AGR-Sensor 144 in dem AGR-Kanal angeordnet sein und kann eine Anzeige von Druck und/oder Temperatur und/oder Konzentration des Abgases bereitstellen. Als Alternative kann die AGR durch einen berechneten Wert auf Grundlage von Signalen von dem MAF-Sensor (stromaufwärts), MAP (Einlasskrümmer), MAT (manifold gas temperature – Krümmerlufttemperatur) und dem Kurbelwellendrehzahlsensor gesteuert werden. Weiterhin kann die AGR auf Grundlage eines Auslasssauerstoffsensors und/oder eines Einlasssauerstoffsensors (Einlasskrümmer) gesteuert werden. Unter einigen Bedingungen kann das AGR-System zur Regulierung der Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer verwendet werden. 1 zeigt ein Hochdruck-AGR-System, bei dem AGR von stromaufwärts einer Turbine eines Turboladers nach stromabwärts eines Verdichters eines Turboladers geleitet wird. Bei anderen Ausführungsformen kann der Motor zusätzlich oder als Alternative dazu ein Niederdruck-AGR-System verwenden, bei dem AGR von stromabwärts der Turbine eines Turboladers zu stromaufwärts eines Verdichters des Turboladers geleitet wird.
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2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Zylinderanordnung 210 gemäß der vorliegenden Offenbarung. 2B zeigt eine perspektivische Ansicht der in 2A gezeigten Zylinderanordnung 210, die an den Turbolader 300 gekoppelt ist. Die Zylinderanordnung 210 enthält den Zylinderkopf 175, der an einem (nicht gezeigten) Zylinderblock befestigt ist, welcher mehrere Brennkammern (zum Beispiel Zylinder) 30 des Motors 10 enthält, die jeweils Brennkammerwände mit einem darin positionierten (nicht gezeigten) Kolben enthalten können. Die Zylinder können in einer Reihenkonfiguration positioniert sein, derart, dass die Zylinder entlang der mittleren Achse des Zylinderkopfs ausgerichtet sind. Als Alternative dazu können die Zylinder in einer V-Konfiguration, einer flachen Konfiguration oder in einer anderen geeigneten Konfiguration ausgerichtet sein. Bei Befestigung an einem Zylinderblock, kann der gezeigte Zylinderkopf 175 4 Zylinder bilden. In einem anderen Beispiel kann die Zylinderanordnung eine andere Anzahl von Zylindern, wie zum Beispiel 3 Zylinder, verwenden. Der Zylinderkopf 175 kann aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Eisen oder Aluminium, gegossen sein. Der Zylinderkopf kann zahlreiche Komponenten enthalten, die in dieser beispielhaften Perspektive nicht gezeigt werden, darunter Nockenwellen, Einlass- und Auslassventile, Zündkerzen, die Kraftstoffeinspritzdüsen 50, den Temperatursensor 112 und andere geeignete mechanische Komponenten und andere geeignete Sensoren und Aktuatoren, wie zum Beispiel in 1 gezeigt.
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Wie gezeigt, enthält der Zylinderkopf 175 vier Umfangswände. Die Wände umfassen eine erste Seitenwand 211, eine zweite Seitenwand 212, eine hintere Endwand 213 und eine vordere Endwand 214. Die erste Seitenwand 211 kann als die Einlassseite des Zylinderkopfs konfiguriert sein, die mit Einlassventilen des Motors zusammenwirkt, und kann Komponenten, wie zum Beispiel Ventile und Kanäle, die zum Zusammenwirken mit dem Einlasskrümmer 44 und zum Gestatten oder Drosseln des Einlassluftstroms in den Zylinderkopf erforderlich sind, enthalten. Die vordere Endwand 214 kann Komponenten enthalten, die zum Zusammenwirken mit der Kurbelwelle 40 und zum Gestatten des Koppelns der Kurbelwelle 40 an die im Zylinderkopf 175 enthaltenen Kolben erforderlich sind. Die zweite Seitenwand 212 kann als die Auslassseite des Zylinderkopfs konfiguriert sein, die mit Auslassventilen des Motors zusammenwirkt, und kann Komponenten wie zum Beispiel einen oder mehrere Befestigungsbolzenstutzen 252 oder andere geeignete Vorrichtungen zum direkten Befestigen des Lagergehäuses 280 an den Zylinderkopf enthalten. Bei dieser beispielhaften Konfiguration kann die Turboladeranordnung direkt an den Zylinderkopf gekoppelt sein. Als Alternative dazu kann die Turboladeranordnung indirekt an den Zylinderkopf gekoppelt sein. Die Turboladeranordnung und mögliche Konfigurationen davon werden weiter unten unter Bezugnahme auf 3 besprochen. Der Zylinderkopf 175 kann auch mehrere Zylinderverschlussteile 218 enthalten.
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Der Zylinderkopf 175 kann einen oder mehrere Kühlmäntel enthalten. Zum Beispiel kann ein erster Kühlmantel zwischen dem Auslasskrümmer 46 und der Grenzfläche zwischen dem Zylinderkopf 175 und dem Zylinderblock positioniert sein. Ein zweiter Kühlmantel kann auf der gegenüberliegenden Seite des Auslasskrümmers bezüglich des ersten Kühlmantels positioniert sein. Der erste und der zweite Kühlmantel können durch einen Strömungsdurchgang aneinander gekoppelt sein. In einigen Beispielen können der erste und der zweite Kühlmantel durch einen Strömungsdurchgang an einen Turbinenkühlmantel gekoppelt sein. In einem anderen Beispiel kann der erste und der zweite Kühlmantel getrennt sein und mit verschiedenen Kühlmitteln oder verschiedenen Versorgungen des gleichen Kühlmittels betrieben werden. In einem anderen Beispiel kann ein erster Kühlmantel auf der Einlassseite der mehreren Zylinder positioniert sein, und ein zweiter Kühlmantel kann auf der Auslassseite der Zylinder positioniert sein. Die beiden Kühlmäntel können sehr verschiedene Kühlleistungen haben und können an ein Kühlwassersystem, einschließlich eines Kühlers, einer durch den Motor angetriebenen Kühlmittelpumpe, eines Thermostaten usw., gekoppelt sein. In einem Beispiel kann ein auf der Auslassseite der Zylinder positionierter Kühlmantel durch beispielsweise eine höhere Durchflussrate, eine vergrößerte Oberfläche usw. eine höhere Kühlleistung haben als der Kühlmantel auf der Einlassseite der Zylinder. In einem anderen Beispiel kann der auf der Einlassseite der Zylinder positionierte Kühlmantel eine höhere Kühlleistung haben als der Kühlmantel auf der Auslassseite der Zylinder.
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Der Zylinderkopf 175 enthält einen Auslasskrümmer 46. Die Komponenten des Auslasskrümmers werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 3, 5A und 5B besprochen und umfassen mehrere an die Zylinder 30 gekoppelte Auslasskanäle 47 und mehrere an die Auslasskanäle 47 gekoppelte Auslassleitungen 310. Die Auslassleitungen 310 können Abgas in den Abgassammler 320 abführen. Jeder Zylinder kann ein Einlass- und Auslassventil haben. In einigen Fällen kann jeder Zylinder zwei oder mehr Einlassventile und zwei oder mehr Auslassventile haben. Jedes Einlassventil und Auslassventil kann durch einen Einlassnocken bzw. einen Auslassnocken betätigt werden. In einem anderen Beispiel können das Einlass- und Auslassventil durch eine Ventilspulen- und -ankeranordnung betätigt werden.
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Eine oder mehrere der Auslassleitungen 310 kann ferner dazu konfiguriert sein, ein (nicht gezeigtes) Wastegate 26 zu enthalten. Als Alternative dazu kann das Wastegate 26 in einem Abgassammler 320 enthalten sein. Das Wastegate 26 kann dazu konfiguriert sein, die die Turbine umströmende Abgasmenge zu steuern. Das Wastegate 26 kann durch den Wastegate-Aktuator 150 betätigt werden. Der Wastegate-Aktuator 150 kann an dem Zylinderkopf 175 oder dem Lagergehäuse 280 angebracht sein. Das Wastegate kann als Reaktion darauf, dass der Druck im Abgassammler 275 einen durch einen (nicht gezeigten) Drucksensor gemessenen Schwellwert übersteigt, oder als Reaktion darauf, dass MAP-Sensormessungen über dem erforderlichen Wert zur Abgabe des Solldrehmoments liegen, betätigt werden. Der Wastegate-Aktuator 150 kann als Reaktion auf durch die Steuerung 12 gesendete Signale aktiviert oder deaktiviert werden. Die Aktivierung des Wastegates 26 gestattet, dass Abgas in den Abgasauslass 290 und weiter zu einer (nicht gezeigten) Auslass-Bypass-Leitung strömt, wodurch gestattet wird, dass das Abgas die Turboladeranordnung umgeht. Der Abgasauslass 290 kann im Lagergehäuse 280 enthalten sein. Der Wastegate-Durchgang kann einen an den Zylinderkopf gekoppelten Eingang und einen an einen Heißgassammler im Lagergehäuse gekoppelten Auslass haben.
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Das Lagergehäuse 280 kann über Befestigungsbolzen 250 und den Befestigungsbolzenstutzen 252 oder durch andere geeignete Befestigungsvorrichtungen am Zylinderkopf 175 befestigt sein. Wie in 2B dargestellt, gestattet die direkte Kopplung des Lagergehäuses 280 an den Zylinderkopf 175 in dieser Konfiguration, dass die Turbine 62 nahe dem Abgassammler 320 angeordnet wird, wodurch eine Einsparung von Abgasenergie im Motor 10 gestattet wird. Wie weiter unten unter Bezugnahme auf 3 besprochen, kann diese beispielhafte Konfiguration gestatten, dass einige der Komponenten der Turboladeranordnung, wie zum Beispiel die Rotorstufe und die Statorstufe, direkt an den Zylinderkopf gekoppelt werden, wodurch der von der Turboladeranordnung eingenommene Platz auf ein Minimum reduziert wird. Das Lagergehäuse 280 kann andere Komponenten, die für das Befestigen von Komponenten der Turboladeranordnung erforderlich sein können, oder Komponenten, die für das Befestigen zusätzlicher Sensoren oder Aktuatoren erforderlich sein können, enthalten. Es kann zum Beispiel ein Befestigungsstutzen für einen Abgassauerstoffsensor im Lagergehäuse 280 enthalten sein.
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Die 3 und 4 zeigen perspektivische Ansichten der Turboladeranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Auslasskanäle 47 und Auslassleitungen 310 und der Turboladeranordnung 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung. 3 zeigt einen beispielhaften integrierten Auslasskrümmer 46 für einen 4-Zylinder-Motor, kann aber weniger oder zusätzliche Zylinder, zum Beispiel 2, 3, 5 oder 6 Zylinder, enthalten. 4 zeigt eine Seitenansicht der Turboladeranordnung 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Auslasskrümmer 46 kann im Zylinderkopf 175 enthalten sein, wie in 2 gezeigt. Jeder Zylinder 30 kann ein oder mehrere zwischen dem Zylinder und einem Auslasskanal 47 gekoppelte Auslassventile enthalten. Die Auslasskanäle 47 können an die Auslassdurchgänge 310 gekoppelt sein. Die Auslasskanäle empfangen während des Motorbetriebs von den Zylindern abgegebenes Abgas. Ein Abgaskrümmerrohr kann an der Vereinigungsstelle der Auslasskanäle von benachbarten Zylindern oder von Zylindern, die nicht benachbart sind, ausgebildet sein. Bei einer I4-Motorkonfiguration kann zum Beispiel von Vorteil sein, die Auslasskanäle der Zylinder 2 und 3 in ein erstes Abgaskrümmerrohr zu vereinigen und die Auslasskanäle der Zylinder 1 und 4 in ein zweites Abgaskrümmerrohr zu vereinigen. Diese Konfiguration kann ein Aufrechterhalten der Abgasimpulstrennung für diese beispielhafte Motorkonfiguration gestatten.
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Die Auslassleitungen 310 können in einer oder mehreren Öffnungen an der Mündung des Abgassammlers 320 enden. Eine oder mehrere Abgaskrümmerrohre können auch einen Wastegate-Durchgang 26 enthalten, wie oben beschrieben. Unter einer Bedingung, unter der Abgasdruck im Abgassammler 320 einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, kann die Steuerung 12 den Wastegate-Aktuator 150 aktivieren, wodurch gestattet wird, dass Abgas durch das Wastegate 26 und in den Abgasauslass 290 strömt, wo es durch eine Auslass-Bypass-Leitung geleitet wird und die Turboladeranordnung umgeht. In einem anderen Beispiel können eine oder mehrere Auslassleitungen 310 Abgas zum Einlasskrümmer 44 zurück zum Wiedereintritt in den Motor 10 als Teil eines zweckgebundenen Abgasrückführungssystems leiten. In noch einem anderen Beispiel kann ein Ventil oder ein anderer Schaltmechanismus Abgasstrom von einer oder mehreren Abgasleitungen 310 unter einer ersten Bedingung zum Einlasskrümmer 44 und unter einer zweiten Bedingung zum Abgassammler 320 umleiten.
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Der Abgassammler 320 kann im Lagergehäuse 280 enthalten sein. Zum Beispiel kann der Abgassammler im Zylinderkopf 175 enthalten sein. In noch einem anderen Beispiel kann der Abgassammler eine getrennte Komponente sein, die zwischen dem Zylinderkopf und dem Lagergehäuse gekoppelt ist, oder er kann aus Teilen sowohl des Zylinderkopfs als auch des Lagergehäuses zusammengesetzt sein. Abgas kann vom Abgassammler 320 zur Turboladeranordnung 300 geleitet werden.
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Die Turboladeranordnung 300 kann das Lagergehäuse 280, das Turbinengehäuse 285, die Turbine 62, das Verdichtergehäuse 335, den Verdichter 60 sowie andere Komponenten davon, von denen einige weiter unten unter Bezugnahme auf 4 besprochen werden, enthalten. Der Abgassammler 320 kann als Teil des Lagergehäuses 280 oder getrennt gefertigt sein. In dem in den 3 und 4 gezeigten beispielhaften System handelt es sich bei der Turbine 62 um eine Axialturbine, es kann sich bei ihr aber auch um eine Radialturbine oder um eine Mixed-Flow-Turbine handeln. Die Turbine kann einstufig oder mehrstufig sein. Der Stator kann auch einstufig oder mehrstufig sein. Bei einer Axialturbine kann der sich den Turbinenrotorschaufeln nähernde Abgasstrom als im Wesentlichen axial verlaufend beschrieben werden. Hierin wird "im Wesentlichen axial" in der Bedeutung verwendet, dass der Abgasstrom durch die Turbine parallel zur Turbinenwelle verläuft. Der Abgaseinlass kann dahingehend konfiguriert sein, Abgas in einer im Wesentlichen axialen Richtung zur Turbine zu leiten. In einem anderen Beispiel kann die Turbine 62 als Radialturbine konfiguriert sein, bei der sich der den Turbinenrotorschaufeln nähernde Abgasstrom im Wesentlichen radial nähert und bei der der Abgaseinlass dahingehend konfiguriert ist, Abgas in einer im Wesentlichen senkrecht zur Turbinenwelle verlaufenden Richtung zu leiten. In einem anderen Beispiel kann das sich der Turbine nähernde Abgas in einer Geometrie zwischen axial und radial nähern, zum Beispiel eine Mixed-Flow-Turbine.
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Das Lagergehäuse 280 kann aus Gusseisen oder anderen geeigneten Materialien, die eine hohe Wärmeverzugsfestigkeit haben, oder anderen Materialien, die sich für die Beaufschlagung mit den hohen Temperaturen, die während des Motorbetriebs erfahren werden, eignen, gefertigt sein. Der Turbinenstator 322 kann durch das Schweißen von gestanzten Metallblechen zu geeigneten Formen und Konfigurationen gefertigt werden oder kann durch Gießen von Material zu einer geeigneten Form gefertigt werden. Der Turbinensammler 350 kann als Teil des Lagergehäuses 280 gefertigt werden, das auch aus Gusseisen oder anderen geeigneten Materialien, die eine hohe Temperaturbeständigkeit haben, gefertigt werden kann. In diesem Beispiel ist möglicherweise kein weiteres Flüssigkeitskühlsystem enthalten.
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Das Turbinengehäuse 285 kann auch aus Materialien, wie zum Beispiel Aluminium, gefertigt sein und kann somit weiter ein Flüssigkeitskühlsystem enthalten, das in dem Gehäuse enthalten ist oder dieses umgibt. Wie in 4 gezeigt, kann Öl oder eine Kühlmittelversorgung 401 durch in den Sammler und das Lagergehäuse integrierte Durchgänge 402 dem Lagergehäuse 280 zugeführt werden. Das Kühlen kann auch mit externen Kühlmittelrohren und -schläuchen bereitgestellt werden. In einem anderen Beispiel kann das Turbinengehäuse 285 als ein vom Lagergehäuse 280 getrenntes Teil gefertigt und mit Bolzen oder anderen geeigneten Befestigungselementen an das Lagergehäuse gekoppelt werden.
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Die Turboladeranordnung 300 enthält den Stator 322, den Rotor 325, die Turbine 62, den Verdichter 60, das Verdichtergehäuse 335 und das Lagergehäuse 280. Die Turbine 62 kann über die Welle 160 an den Verdichter 60 gekoppelt sein. Stator 322 kann im Zylinderkopf 175 platziert sein. In einem Beispiel kann der Stator 322 aus geschweißten Teilen aus rostfreiem Stahlblech gefertigt sein. Der Stator 322 kann als ein getrenntes Teil oder als mehrere Teile gegossen werden. Der Stator 322 kann durch verschiedene Maßnahmen, darunter Einrasten, Einpressen, oder mechanisch mit Bolzen oder V-Bändern befestigt werden. Der Stator kann so ausgeführt sein, dass er in einen komplementären Statorhalter im Zylinderkopf passt, der sowohl den Stator festhält als auch seine Drehung verhindert. In einigen Beispielen kann der Zylinderkopf als Stator dienen und dazu konfiguriert sein, den Abgasstrom zu einem gewünschten Anströmwinkel zu lenken und auf eine gewünschte Geschwindigkeit zu beschleunigen.
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Der Rotor 325 kann auch im Zylinderkopf 175 platziert sein. In einem Beispiel kann das Lagergehäuse 280 über einen oder mehrere Zapfen angebracht sein. Das Lagergehäuse kann einen oder mehrere Kühldurchgänge aufweisen, die nahe den Zapfenhalterungen geführt werden, um Wärmeverzug des Lagergehäuses auf ein Minimum zu reduzieren und zu gewährleisten, dass der Rotor in Position bleibt und einen ausreichenden Abstand zwischen den Rotorschaufeln und dem Gehäuse bewahrt, damit kein Anstreifen der Schaufeln auftritt und ein Mindestzwischenraum zum Bewahren des Turbinenwirkungsgrads erhalten bleibt.
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Die Turboladeranordnung 300 kann auch einen sich an die Turbine anschließenden Gassammler 350 enthalten. Der Gassammler 350 kann einen torusförmigen Durchgang enthalten, wobei das Abgas von der Turbine zu einem einzigen Ausgangsteil des Lagergehäuses geleitet wird. Der Gassammler 350 kann ferner mit dem Abgasauslass 290 vereinigt werden oder kann Abgas zu einer Abgasreinigungsvorrichtung oder einem Abgasrückführungssystem leiten.
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Das Lagergehäuse kann mehrere Lager enthalten, die für sowohl Axial- als auch Radiallast ausgeführt sein können. Die Lager können Zapfenlager, Kugellager, Nadellager, Luftlager oder andere geeignete Lager sein. Das Turbinengehäuse kann so geführt sein, dass es eine durch eine Zuführungsleitung 420 zugeführte Öl- und Kühlmittelversorgung enthält.
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Der Verdichter 60 enthält das Verdichtergehäuse 335, einen Verdichtersammler, ein Verdichterlaufrad und einen Lufteinlass. Das Verdichterlaufrad kann über die Welle 160 an die Turbine 62 gekoppelt sein. Der Abgasstrom durch die Turbine 62 kann die Antriebswelle 160 in Drehung versetzen, die wiederum das Laufrad in Drehung versetzt. Der Lufteinlass führt dem Verdichter 60 Luft zu, die dann durch den Verdichter 60 verdichtet wird. Druckluft wird dann durch eine Reihe von oben beschriebenen und in 1 schematisch gezeigten Leitungen zum Einlasskrümmer 44 zurückgeführt.
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In der Darstellung weist die Turboladeranordnung 300 eine einzige Turbine und eine einzige Turbinenspirale auf. In einem anderen Beispiel kann die Turboladeranordnung 300 mehr als eine Turbine und mehr als eine Spirale enthalten, zum Beispiel eine zweiflutige Turbine. Die Turboladeranordnung 300 weist in der Darstellung einen einzigen Verdichter auf, kann aber mehr als einen Verdichter enthalten. In einem beispielhaften System mit mehr als einer Turbine können die Turbinen konzentrische Wellen aufweisen, die einen einzigen Verdichter oder mehrere Verdichter antreiben. In einem anderen Beispiel kann auch ein Turbolader in dem Fahrzeugsystem enthalten sein.
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Nunmehr auf die 5A–5B Bezug nehmend, wird ein Auslasskrümmer 46 für einen 4-Zylinder-Motor gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt, der in den Motorkonfigurationen der 1–4 enthalten sein kann. Der Auslasskrümmer 46 kann im Zylinderkopf 175 enthalten sein. In einem Beispiel kann der Motor eine Zündfolge von 1-3-4-2 aufweisen. In diesem Beispiel kann durch Trennung der Abgasimpulse derart, dass die Zylinder 1 und 4 miteinander gekoppelt sind und die Zylinder 2 und 3 miteinander gekoppelt sind, die Abgasleitung für die Turbine erhöht werden. In einem Beispiel sind die Zylinder 1 und 4 an einen ersten Einlass der Turbine 62 gekoppelt, und die Zylinder 2 und 3 sind an einen zweiten Einlass der Turbine 62 gekoppelt. Bei dieser Konfiguration ist es weniger wahrscheinlich, dass in den Krümmer ausgetriebenes Abgas in die Zylinder zurück strömt.
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Wie in den 5A–5B dargestellt, kann der Zylinder 1 an die Auslasskanäle 47a und 47b gekoppelt sein. Analog dazu kann der Zylinder 2 Auslassventile enthalten, die an die Auslasskanäle 47c und 47d gekoppelt sind, Zylinder 3 kann Auslassventile enthalten, die an die Auslasskanäle 47e und 47f gekoppelt sind, und Zylinder 4 kann Auslassventile enthalten, die an die Auslasskanäle 47g und 47h gekoppelt sind. Die Auslasskanäle 47a und 47b können an einer Verbindungsstelle 311a vereinigt werden, um die Auslassleitung 310a zu bilden. Analog dazu können die Auslasskanäle 47c und 47d an der Verbindungsstelle 311b vereinigt werden, um die Auslassleitung 310b zu bilden. Die Auslasskanäle 47e und 47f können an der Verbindungsstelle 311c vereinigt werden, um die Auslassleitung 310c zu bilden, und die Auslasskanäle 47g und 47h können an der Verbindungsstelle 311d vereinigt werden, um die Auslassleitung 310d zu bilden. Die Abgaskrümmerrohre 310a und 310d können ferner an einer Verbindungsstelle 312a vereinigt werden, die stromabwärts der Verbindungsstellen 311a und 311d liegt. Eine solche Vereinigung bei 312a führt die Abgasströme der Zylinder 1 und 4 in der Abgasaustrittsleitung 315a zusammen. Die Abgasaustrittsleitung 315a wird zu einem Sektor des Auslasskrümmers 46, der die Turbine 62 versorgt. Analog dazu können die Abgaskrümmerrohre 310b und 310c ferner an einer Verbindungsstelle 312b vereinigt werden, die stromabwärts der Verbindungsstellen 311b und 311c liegt. Eine solche Vereinigung bei 312b führt die Abgasströme der Zylinder 2 und 3 in der Abgasaustrittsleitung 315b zusammen. Ein durch den Wastegate-Aktuator 150 betätigtes Wastegate 26 kann in einer oder mehreren der Auslassleitungen 310a, 310b, 310c und 310d positioniert sein oder in einer oder mehreren der Abgasaustrittsleitungen 315a und 315b positioniert sein.
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Eine solche Vereinigung der Abgase aus den Zylindern 1 und 4 und Zylindern 2 und 3 kann eine Trennung der Abgasimpulse in den Abgaskanälen gestatten und kann instationäres Ansprechverhalten verbessern und die durch das Abgas verlorene Energiemenge verringern. In dem Beispiel, in dem es sich bei der Turbine 62 um eine Axialturbine handelt, kann es möglich sein, eine Impulstrennung von den Abgasventilen über die ganze Strecke – zu der Stelle, an der das Abgas in die Turbine eintritt, zu erreichen, indem die Abgasaustrittsleitung 315a in Form eines Halbkreises ausgebildet wird und die Abgasaustrittsleitung 315b in Form eines Halbkreises, der zu dem Halbkreis der Abgasaustrittsleitung 315a komplementär ist, ausgebildet wird.
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Die Abgasaustrittsleitungen 315a und 315b können Abgas zu den Turbineneinlasskanälen 515 bzw. 520 leiten. In dem in 5B gezeigten Beispiel sind die Turbineneinlasskanäle 515 und 520 so positioniert, dass ein Kreis oder eine Kreisform, die innerhalb von 10° eines Kreises liegt, gebildet wird. Der Raum 525 zwischen den Abgasaustrittskanälen kann somit auch ein Kreis oder eine Kreisform sein, die innerhalb von 10° eines Kreises liegt. Der Raum 525 kann ein gekühlter Teil des Zylinderkopfmaterials, zum Beispiel Aluminium, sein. In diesem Beispiel können die Turbineneinlasskanäle 515 und 520 auch Elemente enthalten, die zum Zusammenwirken mit dem Stator 322 und dem Rotor 325 erforderlich sind. In dem gezeigten Beispiel können die beiden halbkreisförmigen, ringförmigen Bereiche 515 und 520 durch einen Trennbereich 530, der an Enden der Turbineneinlasskanäle 515 und 520 angrenzt, voneinander beabstandet sein. Der Trennbereich kann aus einem gekühlten Teil des Zylinderkopfmaterials gebildet sein. In der Darstellung werden zwei symmetrische halbkreisförmige Ausgänge gezeigt, die symmetrische Trennbereiche aufweisen. Es können jedoch auch asymmetrische Konfigurationen verwendet werden. Die Ausgänge können dazu ausgelegt werden, einen Turbinenanströmwinkel, der für die bestimmte verwendete Turbine am günstigsten ist, zu erreichen. In einigen Beispielen kann es mehr als 2 Turbineneinlasskanäle geben. Zum Beispiel kann es einen Turbineneinlasskanal für jeden Motorzylinder geben.
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Wie in 5A gezeigt kann die spezielle Form der Auslasskrümmerkanäle und Konvergenzbereiche (im Bezug zu einer parallel zu einer Zylindermittelachse verlaufenden Vertikalen) nach oben verlaufen und dann zu einem abwärtigen Austritt nach dem Vereinigen der Abgase zurückgebogen sein. Auf diese Weise kann ein vorteilhafter Abgasstrom in Kombination mit der Motorzündfolge erzeugt werden, so dass die beiden halbkreisförmigen, ringförmigen Abgasauslässe die Axialturboladereingänge zusammen versorgen können. Es sind auch andere Auslassleitungsgeometrien möglich, um Impulstrennung und eine(n) ordnungsgemäße(n) Geschwindigkeit und Winkel für den Turbineneinlass zu erreichen. Zum Beispiel kann jeder Zylinder an einen einzelnen Auslasskanal, eine einzige Auslassleitung und Abgasaustrittsleitung gekoppelt sein. Bei einem 4-Zylinder-Motor würde es somit vier Abgasaustrittsleitungen geben. Die Abgasaustrittsleitungen können mit einem Viertelkreis-Ausgang konfiguriert sein, wobei die vier Ausgänge auf komplementäre Weise angeordnet sind, um einen ringförmigen Auslass zu bilden, der zu dem Abgassammler oder Turbineneinlass führt. Ähnliche Konfigurationen können für 6- oder 8-Zylinder-Motoren verwendet werden.
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Die in den 1–5B gezeigten Systeme können ein oder mehrere Systeme ermöglichen. Zum Beispiel ein System, das Folgendes umfasst: einen Zylinderkopf mit einer ersten und zweiten Auslassleitung, die getrennt an die erste und zweite Gruppe von Zylindern gekoppelt sind, wobei jede der ersten und zweiten Auslassleitung zu einer abgasgetriebenen Turbine führt, die in dem Zylinderkopf auf einem Lager angebracht ist, wobei das Lager in einem durch den Zylinderkopf gestützten Lagergehäuse positioniert ist. Der Zylinderkopf kann ferner Kühldurchgänge neben der Turbine und einen Wastegate-Gasdurchgang umfassen. Die Turbine kann eine Axial-, Mixed-Flow- oder Radial-Turbine sein. Die Turbine kann eine oder mehrere Stufen enthalten, und die Stufen können eine oder mehrere Statorstufen enthalten. Die Statorstufen können einzelne Leitschaufeln oder Teil des Zylinderkopfs sein. Ausgänge jeder der ersten und zweiten Auslassleitung können eine einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisende Kupplung mit einem Gassammler der Turbine sein. Die beiden halbkreisförmigen Querschnitte jedes des ersten und zweiten Ausgangs können bezüglich einander so positioniert sein, dass sie zusammen einen ringförmigen Ausgang bilden. Ferner kann das System mindestens eine dritte Auslassleitung umfassen, die getrennt an eine dritte Gruppe von Zylindern gekoppelt ist. Jede der Gruppen von Zylindern kann einen Zylinder umfassen, und jede der Auslassleitungen kann an einen Gassammler der Turbine gekoppelt sein. Die Auslassleitungen können bogenförmige Ausgänge aufweisen, die zusammen einen ringförmigen kombinierten Ausgang bilden.
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In einem anderen Beispiel umfasst ein turboaufgeladener Motor Folgendes: einen Zylinderkopf, der zwei oder mehr Auslassleitungen bildet, die jeweils ein Ausgangsende an einem Turbinenrad oder -sammler aufweisen, wobei eine Öffnung des Ausgangsendes einer ersten Auslassleitung eine halbkreisförmige, ringförmige Gestalt aufweist, die innerhalb von 5° eines Halbkreises liegt, und eine Öffnung des Ausgangsendes einer zweiten Abgasaustrittsleitung eine halbkreisförmige, ringförmige Gestalt aufweist, die innerhalb von 5° eines Halbkreises liegt, wobei die Ausgangsenden einander gegenüber positioniert sind, so dass sie einen kreisförmigen Ring bilden. Die Auslassleitung kann in Form verschiedenster anderer Konfigurationen ausgestaltet sein. Der Zylinderkopf kann Auslasskanäle für zwei oder mehr Motorzylinder enthalten. Die Motorzylinder können in einer Reihen-, Boxer- oder V-Konfiguration platziert sein. Der turboaufgeladene Motor kann ferner eine Axialturbine umfassen, die zumindest teilweise drehbar im Zylinderkopf angebracht ist. Rotor- und Statorstufen der Axialturbine können im Zylinderkopf positioniert sein. Die erste Auslassleitung kann an äußere Motorzylinder gekoppelt sein, und die zweite Auslassleitung kann an innere Motorzylinder gekoppelt sein. Der Zylinderkopf kann ferner einen Wastegate-Durchgang umfassen. Die Turbine kann über eine gemeinsame Welle an einen oder mehrere Verdichter gekoppelt sein.
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Die in den 1–5B gezeigten Systeme können folgende Motorkühlung ermöglichen: Kombinieren in einem Zylinderkopf von Abgas von inneren Reihenzylindern eines Motors mit einem ersten halbkreisförmigen, ringförmigen Auslass; Kombinieren im Zylinderkopf von Abgas von äußeren Reihenzylindern eines Motors mit einem zweiten halbkreisförmigen, ringförmigen Auslass, der gegenüber dem ersten halbkreisförmigen, ringförmigen Auslass positioniert ist; und Leiten von Abgas aus dem ersten und zweiten Auslass durch eine Axialturbine mit im Zylinderkopf angebrachten Lagern. Die Axialturbine kann durch eine gemeinsame Welle an einen Radialverdichter gekoppelt sein. Ferner kann das Einstellen eines Wastegate-Ventils zur Einstellung von Strom durch eine im Zylinderkopf positionierte Wastegate-Leitung erfolgen.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen rein beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden sollen, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-8-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt somit alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind, ein.
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Die folgenden Ansprüche weisen speziell auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten als den Einschluss von einem oder mehreren solchen Elementen umfassend verstanden werden, wobei sie zwei oder mehr solche Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
