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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind aufgeladene Brennkraftmaschinen, die mindestens einen Abgasturbolader aufweisen, in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Aufladung mittels eines Abgasturboladers ermöglicht es, die Masse der Brennkraftmaschine zu reduzieren, da bei vergleichbarer Leistung kleinere Hubräume verwendet werden können und/oder die Anzahl der Zylinder reduziert werden kann. Die Aufladung der Brennkraftmaschine stellt somit eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen dar.
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Eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist zum Beispiel aus der
DE 20 2014 100 168 U1 bekannt. Jeder Zylinder der Brennkraftmaschine weist mindestens ein Einlassventil und mindestens zwei Auslassventile auf. Zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit aufgeladener Verbrennungsluft ist ein Abgasturbolader mit einer auf einer drehbaren Welle angeordneten Turbine im Abgastrakt der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der Abgasturbolader weist eine zweiflutige Turbine mit zwei getrennten Eintrittsöffnungen für die Abgase auf. Die beiden Eintrittsöffnungen sind jeweils mit einer Gruppe von Auslassventilen der Brennkraftmaschine verbunden. Jede Gruppe besteht aus mindestens einem Auslassventil pro Zylinder, so dass mindestens ein weiteres Auslassventil desselben Zylinders der anderen Gruppe zugeordnet ist. Der gesamte Abgasstrom der Brennkraftmaschine wird durch die Zuordnung der Auslassventile in zwei Gruppen in zwei Teile geteilt. Um die beiden geteilten Abgasströme auf die beiden getrennten Eintrittsöffnungen der Turbine zu leiten, werden die Auslassventile der Brennkraftmaschine durch eine Ventilsteuerungseinrichtung gesteuert. Die Ventilsteuerungseinrichtung ermöglicht die Bewegung der Ventile in eine Öffnungsbeziehungsweise Schließstellung. Für bestimmte Betriebszustände der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei niedrigen Motordrehzahlen, ist es vorteilhaft, nur eine erste Gruppe von Auslassventilen aktiviert zu haben, um nur eine Eintrittsöffnung der Turbine mit heißen Abgasen zu versorgen. Für andere Betriebszustände der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei höheren Motordrehzahlen, ist es vorteilhaft, die zweite Gruppe von Auslassventilen zusätzlich zu aktivieren, um zusätzlich die zweite Eintrittsöffnung der Turbine mit heißen Abgasen zu versorgen. Diese Steuerung der Aktivierung und Deaktivierung dieser zweiten Gruppe von Auslassventilen und damit die Steuerung des Abgasstromes auf die Turbine des Abgasturboladers erfolgt mit der nicht genauer beschriebenen Ventilsteuerungseinrichtung.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente und sichere Steuerung der Abgase ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass in einer Verlängerung der Trennwände zwischen den beiden Strömungsvolumina mindestens eine feste Strömungsleitschaufel angeordnet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass die Freiganganforderungen der Strömungsleitschaufeln bei einer Doppelstromturbine mit variabler Turbinengeometrie eine maximale Trennung der beiden Strömungsvolumina bis zum Turbinenrad verhindern. Die beiden Strömungsvolumina können in einem Raum zwischen zwei Strömungsleitschaufeln miteinander kommunizieren, so dass das zweite Strömungsvolumen im vermeintlich abgeschalteten Zustand trotzdem teilweise mit Abgasen gefüllt wird. Um diesem Problem zu begegnen, wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in der Verlängerung der Trennwände zwischen den beiden Strömungsvolumina die mindestens eine feste Strömungsleitschaufel angeordnet ist. Diese Strömungsleitschaufel ist also fixiert und nicht wie die übrigen Strömungsleitschaufeln verstellbar ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann die Leckage zwischen den beiden Strömungsvolumina verringert werden. Diese verbesserte Trennung der Strömungsvolumina, die bei niedrigen Drehzahlen gewünscht ist, wirkt sich insbesondere positiv auf das Ansprechverhalten, das Verhalten bei Volllast sowie auf das Aufheizen einer Abgasreinigungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs aus.
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Die aufgeladene Brennkraftmaschine ermöglicht es, dass die Ventilsteuerungseinrichtung für jeden der Zylinder einen ersten Nocken und mindestens einen zweiten Nocken auf einer axial drehbaren und axial verschieblichen Welle zur Steuerung der Offenstellung und Schließstellung der Auslassventile aufweist, wobei die Nocken derart ausgebildet und auf der axial drehbaren und axial verschieblichen Welle angeordnet sind, dass in dem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch einen Kraftschluss der ersten Nocken mit den Auslassventilen der ersten Auslassventilgruppe nur die Steuerung der ersten Auslassventilgruppe aktiviert ist und in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch den Kraftschluss der ersten Nocken mit den Auslassventilen der ersten Auslassventilgruppe die Steuerung der ersten Auslassventilgruppe aktiviert ist und durch einen Kraftschluss der zweiten Nocken mit den Auslassventilen der zweiten Auslassventilgruppe die Steuerung der zweiten Auslassventilgruppe aktiviert ist.
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Die aufgeladene Brennkraftmaschine ermöglicht eine Verbesserung des Ansprechverhaltens und des stationären Volllastmoments bei niedrigen Drehzahlen durch Verkleinerung des abgasführenden Volumens vor der Turbine. Dadurch kann die Stoßaufladung bei niedrigen Drehzahlen in vorteilhafter Weise verbessert werden. Überdies kann durch eine Erhöhung des abgasführenden Volumens vor der Turbine und durch eine daraus resultierende Absenkung der mittleren Abgastemperatur und Verstärkung der Stauaufladung der Kraftstoffverbrauch bei höheren Drehzahlen und hoher Last (zum Beispiel im Nennlastbereich) in vorteilhafter Weise verringert werden. Die in der erfindungsgemäßen Weise ausgeführte Ventilsteuerungseinrichtung ermöglicht eine effiziente, sichere und bedarfsgerechte Lenkung der Abgase zu der Turbine des Abgasturboladers.
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Da die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, kann der Einfluss der Stoßaufladung im Vergleich zu einer Zwillingsstromturbine weiter vergrößert werden. Bei einer Doppelstromturbine erfolgt die Strömung der Abgase in den beiden Strömungsvolumina auf einem Teilumfang des Turbinenrades.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die zweiflutige Turbine eine Wastegate-Regelung aufweist.
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Da die Doppelstromturbine eine variable Turbinengeometrie mit einer Anzahl verstellbarer Strömungsleitschaufeln aufweist, kann mittels der verstellbaren Strömungsleitschaufeln das Aufstauverhalten der in die Turbine einströmenden Abgase gezielt variiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Zylindern, Einlass- und Auslassventilen und Abgasleitungen sowie einem zweiflutigen Abgasturbolader im Abgastrakt,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer zweiflutigen Turbine des Abgasturboladers, die als Doppelstromturbine ausgebildet ist,
- 3a eine schematische Darstellung einer Ventilsteuerungseinrichtung der Auslassventile der Brennkraftmaschine mit einer Ventilhubverstellung in einem ersten Betriebszustand, und
- 3b eine schematische Darstellung der Ventilsteuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine mit einer Ventilhubverstellung in einem zweiten Betriebszustand.
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Eine in 1 lediglich schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel vier Zylinder 1.1, die entlang einer Längsachse eines Zylinderkopfes 4 in Reihe angeordnet sind. Jeder der vier Zylinder 1.1 weist eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen auf. Die Einlassöffnung und die beiden Auslassöffnungen am Zylinderkopf 4 sorgen für Ladungswechsel, indem ein zu verbrennendes Gemisch durch die Einlassöffnung und die nach der Verbrennung entstandene Abgase durch die Auslassöffnungen geführt werden. Das Öffnen und Schließen der Einlassöffnungen wird vorteilhafterweise mit Einlassventilen 1.2 und das Öffnen und Schließen der beiden Auslassöffnungen wird vorteilhafterweise mit zwei Auslassventilen 1.3a, 1.3b ausgeführt.
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Die ersten Auslassventile 1.3a aller Zylinder 1.1, die jeweils einer ersten Auslassöffnung der Zylinder 1.1 zugeordnet sind, bilden eine erste Auslassventilgruppe und die zweiten Auslassventile 1.3b der Zylinder 1.1, die jeweils einer zweiten Auslassöffnung der Zylinder 1.1 zugeordnet sind, bilden eine zweite Auslassventilgruppe. An jede der beiden Auslassöffnungen der Zylinder 1.1 ist jeweils eine Abgasleitung 1.4, 1.5 angeschlossen. Die während der Verbrennung entstehenden Abgase der Brennkraftmaschine 1 werden durch die Auslassventile 1.3a, 1.3b in die zugehörigen, voneinander strömungstechnisch getrennten Abgasleitungen 1.4, 1.5 geleitet. Die Abgasleitungen 1.4 der Auslassventile 1.3a der ersten Auslassventilgruppe und die Abgasleitungen 1.5 der Auslassventile 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe münden in zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Gesamtabgasleitungen 1.6, 1.7. Die Abgase, die die erste Gesamtabgasleitung 1.6 durchströmen, stammen somit aus den Abgasleitungen 1.4 der durch die Auslassventile 1.3a der ersten Auslassventilgruppe öffnenbaren und schließbaren Auslassöffnungen. Die Abgase, die die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 durchströmen, stammen aus den Abgasleitungen 1.5 der durch die Auslassventile 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe öffnenbaren und schließbaren Auslassöffnungen, falls diese zweite Auslassventilgruppe aktiviert ist.
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Beide Gesamtabgasleitungen 1.6 und 1.7 münden in einen Abgasturbolader 5, der eine zweiflutige Turbine 2 und einen in 1 nicht explizit dargestellten Verdichter aufweist, der über eine drehbare Welle mit der Turbine 2 verbunden ist. Der Verdichter komprimiert in bekannter Weise die Ladeluft, die den Einlassöffnungen der Zylinder 1.1 im geöffneten Zustand der Einlassventile 1.2 zugeführt wird. Zwischen dem Verdichter und den Einlassöffnungen der Zylinder 1.1 ist vorzugsweise ein Ladeluftkühler angeordnet, der dazu eingerichtet ist, die Temperatur der verdichteten Ladeluft zu senken und deren Dichte zu erhöhen.
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Die perspektivische Darstellung in 2 zeigt die zweiflutige Turbine 2 des Abgasturboladers 5, die vorzugsweise als Doppelstromturbine ausgebildet ist. Die Turbine 2, die auf der hier nicht explizit dargestellten Welle angeordnet ist und dadurch mit dem Verdichter des Abgasturboladers 5 in Wirkverbindung steht, weist ein erstes Strömungsvolumen 2.1 und ein zweites Strömungsvolumen 2.2 auf. Das erste Strömungsvolumen 2.1 ist kleiner als das zweite Strömungsvolumen 2.2.
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Die erste Gesamtabgasleitung 1.6 der Brennkraftmaschine 1 ist an das erste (kleinere) Strömungsvolumen 2.1 der Turbine 2 angeschlossen. Die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 ist demgegenüber an das zweite (größere) Strömungsvolumen 2.2 der Turbine 2 angeschlossen. Beide Strömungsvolumina 2.1, 2.2 sind durch mindestens eine Trennwand strömungstechnisch voneinander getrennt. Diejenigen Abgase, die in das kleinere Strömungsvolumen 2.1 strömen, stammen von denjenigen Auslassöffnungen der Zylinder 1.1, denen die erste Auslassventilgruppe zugeordnet ist, die bei befeuerter Brennkraftmaschine 1 immer aktiv ist. Das größere Strömungsvolumen 2.2 wird nur mit Abgasen durchströmt, falls eine Ventilsteuerungseinrichtung 3, die nachfolgend unter Bezugnahme auf 3a und 3b näher erläutert wird, die zweite Auslassventilgruppe aktiviert.
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3a und 3b zeigen jeweils eine schematische Darstellung der variablen Ventilsteuerungseinrichtung 3 zur Steuerung der Auslassventile 1.3a und 1.3b eines der Zylinder 1.1 in zwei verschiedenen Betriebspositionen. Die Ventilsteuerungseinrichtung 3 weist eine axial drehbare und axial verschiebliche Welle 3.1 und pro Zylinder jeweils einen darauf angeordneten ersten Nocken 3.2a und einen zweiten Nocken 3.2b auf.
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Die Ventilsteuerungseinrichtung 3 ist so ausgebildet, dass sie die Auslassventile 1.3a, 1.3b bei entsprechendem Kraftschluss zwischen dem ersten Nocken 3.2a und dem ersten Auslassventil 1.3a beziehungsweise dem zweiten Nocken 3.2b und dem zweiten Auslassventil 1.3b eines der Zylinder 1.1 so bewegen kann, dass die Auslassventile 1.3a, 1.3b die ihnen zugeordneten Auslassöffnungen des betreffenden Zylinders 1.1 periodisch freigeben und schließen. In einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, wie beispielsweise bei niedrigeren Drehzahlen, ist die erste Auslassventilgruppe aktiviert. Wenn das in 3a gezeigte, zur ersten Auslassventilgruppe gehörende Auslassventil 1.3a aktiviert ist, werden durch einen periodischen Ventilhub, der durch den ersten Nocken 3.2a erzeugt wird, die Abgase in die erste Abgasleitung 1.4 und dann in die Gesamtabgasleitung 1.6 und schließlich in das erste (kleinere) Strömungsvolumen 2.1 der Turbine 2 geführt. Das Auslassventil 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe befindet sich in einem deaktivierten (geschlossenen) Zustand und der Ventilhub ist Null, so dass die Abgase nicht in die zweite Abgasleitung 1.5 strömen können. Der zweite Nocken 3.2b auf der Welle 3.1 dreht ohne Kraftschluss mit dem Auslassventil 1.3b.
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Durch die so erzeugte ausschließliche Zuführung der Abgase in das erste (kleinere) Strömungsvolumen 2.1 der Turbine 2 kann bei niedrigeren Drehzahlen ein stark ausgeprägter Stoßaufladungseffekt und damit ein hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine 1 erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die schnellere Beschleunigung der Turbine 2 bei Lastanforderung.
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Bei höheren Drehzahlen beginnt die Pumparbeit aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu stark anzusteigen. Eine zusätzliche Aktivierung und damit eine periodische Öffnung des Auslassventils 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe ist erforderlich. Durch eine axiale Verschiebung der Welle 3.1 wird ein Kraftschluss des zweiten Nockens 3.2b mit dem zweiten Auslassventil 1.3b in der Weise erzeugt, dass das Auslassventil 1.3b mittels der Ventilsteuerungseinrichtung 3 periodisch von einem Nullhub (geschlossener Zustand der Auslassöffnung) auf einen fixen Maximalhub (geöffneter Zustand der Auslassöffnung) überführt wird, so dass durch das periodische Öffnen und Schließen des zweiten Auslassventils 1.3b die Abgase in die zweite Abgasleitung 1.5 und dann in die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 und schließlich in das zweite (größere) Volumen 2.2 der Turbine 2 des Abgasturboladers 5 geleitet werden. Es versteht sich natürlich, dass ein Fachmann auch weitere Ventilhubumschaltungsvorrichtungen als Ventilsteuerungseinrichtung 3, wie bspw nicht dargestellte schaltbare Rollenschlepphebel oder ähnliches, in dieser Erfindung mitliest. Durch die selektive Vergrößerung des abgasführenden Volumens innerhalb der Turbine 2 kann der so genannte Stauaufladungseffekt bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 verstärkt werden. Die mittlere Abgastemperatur wird abgesenkt. Dadurch ergibt sich eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei hohen Drehzahlen und hoher Last (zum Beispiel im Nennleistungsbereich der Brennkraftmaschine 1).
