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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete segmentierte zweiflutige Turbine umfasst, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der segmentierten zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in einem Eintrittsbereich des Turbinengehäuses in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Eine Brennkraftmaschine der vorstehenden Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, 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 vorliegend mindestens zwei Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden sind. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Ventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder und das Füllen der Zylinder mit Frischgemisch bzw. Ladeluft über die Einlassöffnungen.
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Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet. Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, führen die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise innerhalb des Zylinderkopfes jeweils unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammen.
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Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Ausgestaltung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll.
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Bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei der im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahlbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen, ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen soll, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt.
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Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.
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Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.
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Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
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Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei der Turbine zeitlich kurze, hohe Druckimpulse zur Energiegewinnung dienen. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur kleinen Abgasmengen, insbesondere aber bei niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite im Ansaugsystem generiert werden.
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Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine, bei geringer Last und kleinen Abgasmengen spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des mindestens einen Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks. Das Ansprechverhalten der Turbine verschlechtert sich mit zunehmender Größe des anzutreibenden Laufzeuges zusätzlich.
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Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.
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Zielführend ist es dabei, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden wird.
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Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.
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Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammenzufassen. Wird beispielsweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1-2-4-3 bzw. gemäß der Zündfolge 1-3-4-2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammenzufassen.
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Im Zusammenhang mit der Gruppierung der Zylinder zwecks Realisierung einer möglichst vorteilhaften Stoßaufladung müssen zwei weitere Aspekte bzw. Konzepte berücksichtigt werden, die bezüglich der Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen von hoher Relevanz sind. Zum einen werden die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert, um von einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung zu partizipieren und die Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen fertigen zu müssen, die kostenintensiv sind. Zum anderen ist man grundsätzlich bemüht, die im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine möglichst nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen. Dies hat gleich mehrere Gründe und Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich, sondern auch das Volumen sowohl der einzelnen Abgaskrümmer als auch des gesamten Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab, wodurch ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden kann. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab. Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt.
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Dass sich die Wegstrecken von den Auslassöffnungen der Zylinder bis zur Turbine entsprechend den vorstehend beschriebenen Konzepten deutlich verkürzen, kann auch Nachteile haben. Durch die motornahe Anordnung der Turbine und/oder die Integration der Krümmer werden die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen gegebenenfalls nicht ausreichend lang voneinander getrennt gehalten.
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Aus den vorstehend genannten Gründen kommt erfindungsgemäß eine zweiflutige Turbine zum Einsatz, wobei die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen bis hin zu dem mindestens einen Laufrad der Turbine voneinander getrennt werden und zwar mittels mindestens einer Gehäusewandung. Hierzu werden die beiden Gesamtabgasleitungen in der Art mit der zweiflutigen Turbine verbunden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Nach dem Stand der Technik wird die Turbine regelmäßig in Radialbauweise ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle des Abgasturboladers in einem rechten Winkel, falls die Anströmung exakt radial verläuft.
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Um die Laufschaufeln radial anströmen zu können, wird der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases nach dem Stand der Technik als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen radial erfolgt. Eine derartige Radialturbine wird beispielsweise in der
EP 1 710 415 A1 beschrieben.
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Gelegentlich wird die Turbine auch als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufradschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Im Wesentlichen axial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Verhältnis von axialer Geschwindigkeitskomponente zu radialer Geschwindigkeitskomponente größer ist als 3:1, vorzugsweise größer als 4:1 bzw. 5:1. Falls die Anströmung exakt axial erfolgt, verläuft der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des Laufrades parallel zur Welle des Abgasturboladers.
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Nach dem Stand der Technik wird aber auch bei Axialturbinen der Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases häufig als rundum verlaufendes Spiral- oder Schneckengehäuse ausgebildet, so dass zumindest im Eintrittsbereich die Strömung des Abgases häufig schräg, tangential bzw. radial zur Welle verläuft bzw. geführt wird, weshalb eine Umlenkung des Abgases erforderlich ist bzw. wird. Einbußen bei der am Turbinenlaufrad zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie werden dabei in Kauf genommen. Die
EP 1 710 415 A1 beschreibt eine derartige Axialturbine.
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Grundsätzlich ist zu berücksichtigen, dass der Geschwindigkeitsvektor der Abgasströmung neben einer radialen bzw. axialen Komponente auch eine tangentiale Umfangskomponente aufweisen kann.
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Um die Abgasenergie möglichst effizient nutzen zu können, sollte das Abgas aber möglichst wenig umgelenkt werden. Jede Richtungsänderung der Abgasströmung, beispielsweise infolge einer Krümmung des Abgasabführsystems, hat einen Druckverlust in der Abgasströmung und damit einen Enthalpieverlust zur Folge. Es sollte alles vermieden werden, was den Druck im Abgas reduziert und die an der Turbine noch zur Verfügung stehende Abgasenergie verringert.
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Darüber hinaus erschweren die zur Ausbildung des Eintrittsbereichs verwendeten Spiral- oder Schneckengehäuse die Trennung der zwei Fluten, d. h. die Trennung der Abgasabführsysteme der Zylindergruppen bis hin zu dem mindestens einen Laufrad. Die Strömungsführung im Eintrittsbereich solcher Turbinen ist derart komplex, dass das Vorsehen einer die Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung konstruktiv aufwendige Konzepte erfordert, die prinzipbedingt mit hohen Kosten verbunden sind; insbesondere bei Axialturbinen.
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Um kostengünstigere Werkstoffe für die Herstellung der Turbine verwenden zu können, wird die Turbine nach dem Stand der Technik mit einer Kühlung, beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, ausgestattet, welche die thermische Belastung der Turbine bzw. des Turbinengehäuses durch die heißen Abgase stark vermindert und damit den Einsatz thermisch weniger belastbarer Werkstoffe ermöglicht.
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In der Regel wird das Turbinengehäuse zur Ausbildung der Kühlung mit einem Kühlmittelmantel versehen. Aus dem Stand der Technik sind sowohl Konzepte bekannt, bei denen das Gehäuse ein Gussteil ist und der Kühlmittelmantel im Rahmen des Gießvorganges als integraler Bestandteil eines monolithischen Gehäuses ausgebildet wird, als auch Konzepte, bei denen das Gehäuse modular aufgebaut ist, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der als Kühlmittelmantel dient. Eine entsprechend dem letztgenannten Konzept gestaltete Turbine beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 011 257 A1 . Die
EP 1 384 857 A2 offenbart ebenfalls eine Turbine, deren Gehäuse mit einem Kühlmittelmantel ausgestattet ist.
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Zu berücksichtigen ist im Zusammenhang mit der Flüssigkeitskühlung einer Turbine aber, dass die in der Turbine vom Kühlmittel aufzunehmende Wärmemenge 40kW oder mehr betragen kann, wenn zur Herstellung des Gehäuses thermisch wenig belastbare Materialien wie Aluminium verwendet werden. Dem Kühlmittel eine derart hohe Wärmemenge im Wärmetauscher zu entziehen und mittels Luftströmung an die Umgebung abzuführen, erweist sich als problematisch.
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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, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Betriebsverhalten insbesondere hinsichtlich der Aufladung verbessert ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen,
- – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete segmentierte zweiflutige Turbine umfasst, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit der segmentierten zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in einem Eintrittsbereich des Turbinengehäuses in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass - – die Turbine eine segmentierte zweiflutige Axialturbine ist,
- – der Eintrittsbereich des Turbinengehäuses koaxial zur Welle der Axialturbine verläuft und ausgebildet ist, und
- – der Eintrittsbereich und zumindest ein Teil eines Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad umschließt, in den mindestens einen Zylinderkopf integriert sind, so dass der mindestens eine Zylinderkopf und zumindest ein Teil des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer segmentierten zweiflutigen Turbine in Axialbauweise ausgestattet, wobei der Eintrittsbereich dieser Axialturbine im Turbinengehäuse koaxial zur Welle der Turbine verläuft und ausgebildet ist. Die radiale Zuführung des Abgases zur Turbine mittels Spiral- oder Schneckengehäuse und die damit verbundenen Nachteile entfallen.
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Das Abgas wird stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine nicht umgelenkt, um dem mindestens einen Laufrad zugeführt zu werden. Eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Abgasströmung unterbleibt, so dass unnötige Druckverluste in der Abgasströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und ein möglichst energiereiches Abgas am Laufrad bereitgestellt wird.
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Die Verwendung einer Axialturbine zusammen mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Eintrittsbereich gestattet zudem eine sehr motornahe Anordnung und damit ein dichtes Packaging, insbesondere aber eine Reduzierung der Wegstrecke, des Volumens, der Masse und damit der thermischen Trägheit des Abgasabführsystems stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Axialturbine. Die Stoßaufladung wird in vorteilhafter Weise unterstützt.
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Der koaxial zur Welle der Axialturbine ausgebildete Eintrittsbereich im Turbinengehäuse erleichtert die Trennung der zwei Fluten, d. h. der Abgasabführsysteme bis hin zu dem mindestens einen Turbinenlaufrad. Die axiale Strömungsführung im Eintrittsbereich gestattet das Einbringen einer die Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung mit geringem konstruktivem Aufwand.
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Erfindungsgemäß ist das Turbinengehäuse zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert, nämlich der Eintrittsbereich und zumindest ein Teil des Abschnitts des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad umschließt. Damit ist der thermisch am höchsten beanspruchte Gehäuseteil im Zylinderkopf integriert und kann an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipieren. Das sich im Turbinenlaufrad entspannende Abgas hat am Austritt der Turbine außerhalb des Zylinderkopfes eine wesentlich geringere Temperatur als stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, d. h. beispielsweise im Eintrittsbereich. Das erfindungsgemäße Konzept hat gleich mehrere Vorteile.
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Die Kühlleistung betreffend die Turbine wird begrenzt, indem die bereitgestellte wärmeübertragende Fläche beschränkt wird. Durch diese Maßnahme wird die turbinenseitig abzuführende Wärmemenge in vorteilhafter Weise vermindert bzw. begrenzt. Damit entfällt die Problematik, sehr große, in der Turbine vom Kühlmittel aufgenommene Wärmemengen abführen zu müssen. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht dennoch den Verzicht auf thermisch hochbelastbare, insbesondere nickelhaltige, Werkstoffe zur Herstellung des Turbinengehäuses.
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Die Vorteile eines monolithisch ausgebildeten Bauteils sind insbesondere die hohe Gewichtsersparnis, die kompakte Bauweise und das verbesserte Ansprechverhalten der Turbine infolge der überaus motornahen Anordnung. Das monolithische Bauteil wird vorzugsweise als gegossenes Bauteil ausgebildet, vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Grauguss oder dergleichen.
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Die Ausbildung einer gasdichten, thermisch hochbelastbaren und daher kostenintensiven Verbindung zwischen Zylinderkopf und Turbine entfällt prinzipbedingt durch die einteilige Ausbildung. Die Montagezeit verkürzt sich erheblich.
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Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Betriebsverhalten insbesondere hinsichtlich der Aufladung verbessert ist.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter.
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Die Turbine des Abgasturboladers ist erfindungsgemäß als Axialturbine ausgeführt, d. h. die Anströmung der Laufschaufeln erfolgt im Wesentlichen axial. Insofern kann die Axialturbine auch in der Mixed-Flow-Bauweise ausgeführt sein, solange das Verhältnis von axialer Geschwindigkeitskomponente zu radialer Geschwindigkeitskomponente größer ist als 3:1, vorzugsweise größer als 4:1 bzw. 5:1.
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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.
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Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit geeigneten Getriebeauslegungen kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann. Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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Gegenüber einem mechanischen Lader besteht der Vorteil eines Abgasturboladers 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 direkt von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
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Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zwecks Aufladung zusätzlich ein mechanischer Lader vorgesehen ist.
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Vorzugsweise ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die mindestens zwei Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Zylinder bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
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Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über mindestens zwei Zylinder, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aufweist. Insofern umfasst die vorliegende Erfindung auch Ausführungsformen mit zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder eine Auslassöffnung aufweist.
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Erfindungsgemäß führen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Bei der letztgenannten Ausführungsform erfolgt jedoch kein Zusammenführen im eigentlichen Sinne, da die einzelne Abgasleitung auch den Abgaskrümmer und die Gesamtabgasleitung bildet.
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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 der Abschnitt des Turbinengehäuses, welcher das mindestens eine Laufrad umschließt, in den mindestens einen Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und dieser Abschnitt des Turbinengehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.
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Dann wird das mindestens eine Laufrad vollständig vom Zylinderkopf aufgenommen, d. h. das mindestens eine Laufrad wird vollumfänglich von Zylinderkopfmaterial umschlossen und der Kopf bildet quasi den Abschnitt des Turbinengehäuses aus, welcher der Aufnahme des mindestens einen Laufrades dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine die zwei Fluten voneinander trennende Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Turbinengehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung einer Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zwei Fluten mittels einer einzelnen zusammenhängenden Gehäusewandung bis hin zu dem mindestens einen Laufrad voneinander getrennt sind.
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Während sich bei einer mehrteiligen Gehäusewandung jeweils zwischen zwei benachbarten Gehäusewandteilen ein mehr oder weniger großer Spalt ausbildet, der eine gewisse Interaktion zwischen den benachbarten Fluten zulässt, entfällt ein solcher Spalt bei einer einteiligen Gehäusewandung. Dies unterstützt die originäre Funktion der Gehäusewandung, nämlich die benachbarten Fluten weitestgehend voneinander zu trennen und eine Interaktion zwischen den Fluten zu unterbinden.
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Vorteilhaft können aber dennoch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die mindestens eine die zwei Fluten voneinander trennende Gehäusewandung modular aufgebaut ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine die zwei Fluten voneinander trennende Gehäusewandung in den mindestens einen Zylinderkopf integriert ist, so dass der Zylinderkopf und diese mindestens eine Gehäusewandung ein monolithisches Bauteil bilden.
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Dann kann das thermisch am höchsten beanspruchte Bauteil, nämlich die mindestens eine Gehäusewandung, an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipieren. Diese Integration einer Gehäusewandung in den Zylinderkopf gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in den und via Zylinderkopf abgeführt wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des mindestens einen Laufrads eine – vorzugsweise verstellbare – Leiteinrichtung im Eintrittsbereich vorgesehen ist. Der Geschwindigkeitsvektor der Anströmung im Bereich des mindestens einen Laufrades weist vorzugsweise auch eine radiale bzw. tangentiale Komponente zur Welle der Axialturbine auf, d. h. einen Drall, wodurch der Wirkungsgrad der Turbine bereichsweise angepasst werden kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der nicht im Zylinderkopf integrierte Teil des Turbinengehäuses einteilig ausgebildet ist.
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Ein monolithisch ausgebildetes Gehäusesegment ist gekennzeichnet durch ein geringes Gewicht und eine kompakte Bauweise. Eine vereinfachte Montage infolge der geringeren Anzahl an Bauteilen ist ein Vorteil der dazugehörigen Turbine. Zudem ist das monolithisch ausgebildete Gehäusesegment aufgrund der fehlenden Bauteilfugen gasdicht. Vorzugsweise wird das monolithische Gehäusesegment als gegossenes Bauteil ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Grauguss oder dergleichen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die segmentierte zweiflutige Axialturbine zwei Segmente aufweist, wobei jedes Segment vorzugsweise halbkreisförmig ausgebildet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten laufradseitig einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der halbkreisförmige Querschnitt der beiden Fluten korrespondiert mit den halbkreisförmig ausgebildeten Segmenten der vorstehenden Ausführungsform. Die beiden Fluten sind zu dem mindestens einen Laufrad hin via einen halbkreisförmigen Sektor geöffnet bzw. offen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die segmentierte zweiflutige Axialturbine zwei Segmente aufweist, wobei ein innenliegendes Segment kreisförmig und ein außenliegendes Segment ringförmig ausgebildet ist.
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Dabei ist eine Flut bzw. Gesamtabgasleitung innenliegend und kreisförmig zum Laufrad hin geöffnet, wobei die andere Flut bzw. Gesamtabgasleitung außenliegend, d. h. die innenliegende Flut ummantelnd und umschließend, ausgebildet und ringförmig zum Laufrad hin geöffnet ist.
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Die vorstehende Variante gestattet es, die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen nicht nur bis zu dem mindestens einen Laufrad hin voneinander getrennt zu halten, sondern auch noch beim Durchströmen der Laufschaufeln des mindestens einen Laufrades, d. h. im Laufzeug. Die Verbindung der Abgasabführsysteme der beiden Zylindergruppen ist damit noch weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe weiter vergrößert wird. Ein Rückströmen ist vorliegend nur noch via rotierendem Laufzeug möglich und damit sehr erschwert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die segmentierte zweiflutige Axialturbine über einen Austrittsbereich zum Abführen des Abgases verfügt, wobei ein Spiralgehäuse diesen Austrittsbereich zumindest mit ausbildet. Ein radiales Abströmen aus der Axialturbine via Spiralgehäuse gestattet eine kompakte Bauweise der Antriebseinheit, wodurch ein dichtes Packaging im Motorraum ermöglicht wird.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.
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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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Aufgrund der wesentlich höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung 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 integrierte Kühlmittelmantel sich auch zwischen den bzw. die 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 in den Zylinderkopf einträgt, ist vergleichsweise groß. Zudem 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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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.
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Bei der Verbindung handelt es sich vorliegend um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Austausch von Kühlmittel zwischen den beiden Kühlmittelmänteln ermöglicht und realisiert wird.
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Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Verbindung beabstandet zu einer Gesamtabgasleitung angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Gesamtabgasleitung vorzugsweise kleiner ist als der Durchmesser bzw. der halbe Durchmesser eines Zylinders. Der Abstand ergibt sich aus der Wegstrecke zwischen der Außenwandung der Gesamtabgasleitung und der Außenwandung der Verbindung.
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In dem Bereich, in dem mehrere Abgasleitungen in eine Gesamtabgasleitung münden und heißes Abgas gesammelt wird, ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet, da im Zustrombereich zur Gesamtabgasleitung, d. h. im Bereich der Sammelstelle, die Abgasströmungen der einzelnen Abgasleitungen mehr oder weniger stark umgelenkt werden müssen, um die Abgasleitungen zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammenführen zu können. Die einzelnen Abgasströmungen haben daher in diesem Bereich – zumindest teilweise – eine Geschwindigkeitskomponente, die senkrecht auf den Wandungen der Abgasleitung steht, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion und folglich die thermische Belastung des Zylinderkopfes zusätzlich erhöht wird.
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Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Verbindung beabstandet zur Sammelstelle angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen der mindestens einen Verbindung und der Sammelstelle vorzugsweise kleiner ist als der Durchmesser bzw. der halbe Durchmesser eines Zylinders.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine – die zwei benachbarten Fluten trennende – Gehäusewandung mindestens eine die zwei Fluten miteinander verbindende Öffnung aufweist, welche mittels Absperrelement verschließbar ist.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine verbindende Öffnung laufradseitig vorgesehen ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.
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Die Stoßaufladung hat nicht nur Vorteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Die Zylinder einer Gruppe können sich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder dieser Gruppe und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Als nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung der Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Der verschlechterte Ladungswechsel führt insbesondere bei steigender Last und zunehmender Drehzahl zu Nachteilen. Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt.
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Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine am effektivsten betrieben wird, ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden. Um die stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Axialturbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts des mindestens einen Turbinenlaufrades bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.
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Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts des Laufzeugs können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Hinsichtlich einer Stauaufladung ist es folglich vorteilhaft, die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder zu verbinden, um das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine zu maximieren und die Druckschwankungen zu minimieren.
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Insofern ist es vorteilhaft, die Möglichkeit vorzusehen, die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals bzw. mindestens einer Öffnung miteinander verbinden zu können.
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Dabei können die oben genannten Konzepte unterschieden werden, beispielsweise ein Konzept, bei dem sich die beiden Abgaskrümmer der zwei Zylindergruppen miteinander verbinden bzw. voneinander trennen lassen. Das Abgasabführsystem wird dann entsprechend der momentanen Zielsetzung konfiguriert, um die Brennkraftmaschine durch Trennen der Abgaskrümmer entsprechend einer Stoßaufladung oder durch Verbinden der Abgaskrümmer entsprechend einer Stauaufladung aufladen zu können. Nachteilig an dem vorstehend beschriebenen Konzept ist, dass durch die Verbindung der Krümmer eine Verbindung nahe den Auslassöffnungen der Zylinder realisiert wird.
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Alternativ werden die Fluten der zweiflutigen Axialturbine via Öffnung in der mindestens einen Gehäusewandung miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt. Die Fluten sind dann entweder voneinander getrennt oder miteinander verbunden, wobei die Brennkraftmaschine mittels Stoßaufladung oder mittels Stauaufladung betrieben und aufgeladen wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
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1a in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten ein Fragment einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
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1b einen Querschnitt durch den Eintrittsbereich 2a der in 1a dargestellten zweiflutigen Axialturbine 1.
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1a zeigt in einer Seitenansicht und teilweise geschnitten ein Fragment einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, die über einen Zylinderkopf 9 mit mindestens zwei Zylindern 10 verfügt.
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Jeder Zylinder 10 weist mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Brennraum 10a auf, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt.
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Die Zylinder 10 sind konfiguriert und bilden zwei Zylindergruppen, wobei die Abgasleitungen der Zylinder 10 jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes 9 unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 7a, 7b jeweils zu einer Gesamtabgasleitung 8a, 8b zusammenführen.
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Zwecks Aufladung ist die Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem angeordnete segmentierte zweiflutige Axialturbine 1 umfasst, die über ein Turbinengehäuse 2 verfügt, in dem ein mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert ist. Zur Aufnahme der Welle 4 dient ein Lagergehäuse.
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Die beiden Gesamtabgasleitungen 8a, 8b sind in einem Eintrittsbereich 2a des Turbinengehäuses 2 in der Art mit der Axialturbine 1 verbunden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung 8a, 8b mit einer der zwei Fluten 5, 6 der segmentierten Turbine 1 verbunden ist, wobei die zwei Fluten 5, 6 in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen 8a, 8b bis hin zu dem Laufrad 3 mittels einer zweiteiligen Gehäusewandung 2c voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
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Der Eintrittsbereich 2a des Turbinengehäuses 2 ist koaxial zur Welle 4 der Axialturbine 1 ausgebildet und verläuft auch koaxial zur Welle 4 der Axialturbine 1, so dass die Zuströmung des Abgases zum Laufrad 3 der Axialturbine 1 im Wesentlichen axial erfolgt und das Abgas im Eintrittsbereich 2a nicht umgelenkt wird bzw. nicht umgelenkt werden muss, um dem Laufrad 3 zugeführt zu werden. Durch Strömungsumlenkung verursachte Druckverluste werden auf diese Weise vermieden, so dass ein energiereiches Abgas stromaufwärts des Laufrades 3 bereitgestellt wird. Dem Abgas kann daher mehr Energie in der Axialturbine 1 entzogen werden. Der Wirkungsgrad wird verbessert, d. h. erhöht.
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Der Eintrittsbereich 2a und der Abschnitt des Turbinengehäuses 2, welcher das Laufrad 3 umschließt, sind in den Zylinderkopf 9 integriert, so dass der Zylinderkopf 9 und ein Teil des Turbinengehäuses 2 ein monolithisches Bauteil bilden. Aufgrund der Integration ist der Übergang zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen 8a, 8b und den zwei Fluten 5, 6 der Turbine 1 fließend. Ein Teil der die beiden Fluten 5, 6 voneinander trennenden Gehäusewandung 2c ist einteilig mit dem Zylinderkopf 9 ausgebildet. 1a zeigt die Axialturbine 1 vor der Montage, d. h. vor dem Einbau in den Zylinderkopf 9 (siehe Doppelpfeil).
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Die Axialturbine 1 verfügt austrittsseitig über ein rundum verlaufendes Spiralgehäuse 2b, über welches das Abgas im Austrittsbereich 2b der Axialturbine 1 im Wesentlichen radial abgeführt wird.
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1b zeigt einen Querschnitt durch den Eintrittsbereich 2a der in 1a dargestellten segmentierten zweiflutigen Axialturbine.
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Die beiden Gesamtabgasleitungen bzw. Fluten 5, 6 weisen im Eintrittsbereich 2b laufradseitig einen halbkreisförmigen Querschnitt auf und sind zum Laufrad hin jeweils via einem halbkreisförmigen Segment bzw. Sektor geöffnet. Die die beiden Fluten 5, 6 voneinander trennende Gehäusewandung 2c ist einteilig mit dem Turbinengehäuse 2 ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- zweiflutige Axialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 2a
- Eintrittsbereich
- 2b
- Austrittsbereich, Spiralgehäuse
- 2c
- Gehäusewandung
- 3
- Laufrad
- 4
- Drehachse, Welle
- 5
- erste Flut
- 6
- zweite Flut
- 7a
- Abgaskrümmer der ersten Zylindergruppe, erster Krümmer
- 7b
- Abgaskrümmer der zweiten Zylindergruppe, zweiter Krümmer
- 8a
- Gesamtabgasleitung der ersten Zylindergruppe, erste Gesamtabgasleitung
- 8b
- Gesamtabgasleitung der zweiten Zylindergruppe, zweite Gesamtabgasleitung
- 9
- Zylinderkopf
- 10
- Zylinder
- 10a
- Brennraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1710415 A1 [0020, 0022]
- DE 102008011257 A1 [0027]
- EP 1384857 A2 [0027]
