DE102016120815B4

DE102016120815B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016120815B4
Application number: DE102016120815.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hagelstein; Tobias Czapka; Florian Frese; Sebastian Keich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2036-11-03
Also published as: DE102016120815A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (10), einem Abgasstrang und einer oder mehreren in den Abgasstrang integrierten Abgasturbinen (20), wobei der Verbrennungsmotor (10) einen oder mehrere Brennräume (12) ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile (24, 26) zugeordnet sind, und wobei die Auslassventile (24, 26) mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind, wobei den Brennräumen (12) zugeordnete erste Auslassventile (24) über eine gemeinsame erste Abgasflut (28) und den Brennräumen (12) zugeordnete zweite Auslassventile (26) über eine gemeinsame zweite Abgasflut (30) des Abgasstrangs mit der oder den Abgasturbinen (20) in Abgas leitender Verbindung stehen, wobei für die zweite Abgasflut (30) eine größere Kühlwirkung realisiert ist als für die erste Abgasflut (28), und wobei der minimale und/oder der mittlere Strömungsquerschnitt der ersten Abgasflut (28) kleiner als der entsprechende Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasflut (30) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser- die ersten Auslassventile (24) mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die kleiner als der Zündabstand der Brennräume (12) ist oder diesem höchstens entspricht, und- die zweiten Auslassventile (26) mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die größer als der Zündabstand der Brennräume (12) ist oder diesem mindestens entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang und einer oder mehreren in den Abgasstrang integrierten Abgasturbinen, wobei der Verbrennungsmotor einen oder mehrere Brennräume ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile zugeordnet sind, wobei die Auslassventile mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind und wobei den Brennräumen zugeordnete erste Auslassventile über eine gemeinsame erste Abgasflut und den Brennräumen zugeordnete zweite Auslassventile über eine gemeinsame zweite Abgasflut des Abgasstrangs mit der oder den Abgasturbinen in Abgas leitender Verbindung stehen, wobei für die zweite Abgasflut eine größere Kühlwirkung realisiert ist als für die erste Abgasflut.
Eine solche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2012 001 199 A1 bekannt. Die dort insgesamt als Abgaskrümmer bezeichneten Abgasfluten dieser Brennkraftmaschine sind dabei in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors integriert, wodurch eine Kühlung für das die Abgasfluten durchströmende Abgas erreicht wird. Weiterhin ist bei der Brennkraftmaschine gemäß der DE 10 2012 001 199 A1 vorgesehen, dass jede der Abgasfluten in Abgas leitender Verbindung mit jeweils einer separaten Abgasturbine eines Abgasturboladers steht. Alternativ dazu können auch zwei hintereinander geschaltete Abgasturbolader vorgesehen sein, wobei die Abgasfluten zunächst zusammengeführt und anschließend der Abgasturbine eines ersten der Abgasturbolader zugeführt wird.
Ein in einen Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer wird in der DE 10 2012 001 199 A1 als nachteilig hinsichtlich des Kaltstartverhaltens und der sich daran anschließenden Warmlaufphase des Verbrennungsmotors sowie hinsichtlich des Ansprechverhalten des Abgasturboladers infolge einer ungewollten Kühlung des Abgases bezeichnet. Um diese Nachteile zu vermeiden ist gemäß der DE 10 2012 001 199 A1 vorgesehen, jeden der Brennräume des Verbrennungsmotors über jeweils ein Auslassventil mit einer ersten Abgasflut und über jeweils ein weiteres Auslassventil mit einer zweiten Abgasflut zu verbinden, wobei für die zwei verschiedenen Abgasfluten unterschiedliche Kühlwirkungen realisiert sind, indem beispielsweise die Kanäle der ersten Abgasflut kürzer und im Querschnitt größer als diejenigen der zweiten Abgasflut dimensioniert sind, wodurch für das diese durchströmende Abgas eine geringere Kühlwirkung erzielt wird. Für eine in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors möglichst optimale Kühlung des Abgases ist vorgesehen, den Abgasmassenstrom entweder vollständig über eine der Abgasfluten strömen zu lassen oder in einem definierten Verhältnis auf die beiden Abgasfluten zu verteilen.
Eine zu der Brennkraftmaschine gemäß der DE 10 2012 001 199 A1 ähnliche Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2015 203 157 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Brennkraftmaschine ist vorgesehen, eine erste Abgasleitung einschließlich des Gehäuses einer in diese Abgasleitung integrierten Abgasturbine eines ersten Abgasturboladers bis zu einem stromab der Abgasturbine angeordneten Abgasnachbehandlungssystem mit einer innen liegenden, isolierenden Metallstruktur zu versehen, während eine zweite Abgasleitung, die ebenfalls eine Abgasturbine eines zweiten Abgasturboladers integriert, eine solche isolierende Metallstruktur nicht aufweist.
Die DE 10 2014 201 433 A1 beschreibt einen Zylinderkopf mit einem integrierten Kühlmittelmantel für eine Flüssigkeitskühlung, wobei den Kühlmittelmantel begrenzende Wandungen zumindest bereichsweise mit einer Wärmeisolierung versehen sind.
Die FR 2 916 226 A3 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, wobei den Brennräumen zugeordnete erste Auslassventile über eine gemeinsame erste Abgasflut mit einer oder mehreren Abgasturbinen und den Brennräumen zugeordnete zweite Auslassventile über eine gemeinsame zweite Abgasflut mit der oder den Abgasturbinen verbunden sind. Dabei ist vorgesehen, dass sowohl die ersten Auslassventile als auch die erste Abgasflut im Vergleich zu den zweiten Auslassventilen und der zweiten Abgasflut kleinere Querschnitte aufweisen. Weiterhin ist ein variabler Ventiltrieb derart vorgesehen, dass die zweiten, größeren Auslassventile nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors und bei einem Betrieb mit niedrigen Lasten geschlossen gehalten werden und folglich der gesamte Abgasstrom über die relativ kleine, erste Abgasflut geführt wird. Dadurch soll einerseits ein vorteilhaftes Aufwärmen eines in den Abgasstrang integrierten Katalysators sowie eine vorteilhafte Stoßaufladung erreicht werden können. Wird der Verbrennungsmotor dagegen mit mittleren bis höheren Lasten betrieben, werden zusätzlich auch die größeren zweiten Auslassventile geöffnet und damit ein Teil des Abgasstroms auch über die zweite, größere Abgasflut geführt.
Die DE 10 2010 048 918 A1 offenbart ebenfalls eine Brennkraftmaschine mit einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor, bei dem jeweils erste Auslassventile einer ersten Abgasflut und zweite Auslassventile einer zweiten Abgasflut zugeordnet sind. Die erste Abgasflut kann relativ kurz sowie thermisch isoliert ausgebildet sein, während die zweite Abgasflut relativ lang und mit einem Rekuperationswärmetauscher ausgebildet sein kann. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Warmlauf und in einem Niedriglastbetrieb kein Abgas durch die längere Abgasleitung geführt wird, um die erforderliche Betriebstemperatur eines Katalysators in relativ kurzer Zeit zu erreichen.
Die EP 2 522 843 A1 offenbart eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern und mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, wobei jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, bei der die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammengeführt sind, die mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammengeführt sind, die mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist, wobei die erste Turbine und die zweite Turbine über ein gemeinsames Turbinengehäuse verfügen.
Die DE 10 2012 001 199 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der eine dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine angepasste Abgasenergie zur Verfügung gestellt wird. Dies wird durch eines gezielte Kühlung des bei der Verbrennung entstehenden Abgases erreicht, wobei der Abgasmassenstrom durch unterschiedliche Strömungswege mit unterschiedlicher Kühlung geleitet wird. Der Abgasmassenstrom wird entweder komplett auf die unterschiedlichen Strömungswege geleitet oder in einem bestimmten Verhältnis auf die unterschiedlichen Strömungswege verteilt.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine, wie sie grundsätzlich aus der DE 10 2012 001 199 A1 bekannt ist, hinsichtlich des Betriebsverhaltens, insbesondere bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen und Lasten, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang und einer oder mehreren in den Abgasstrang integrierten Abgasturbinen, die insbesondere (jeweils) Bestandteil eines Abgasturboladers sind, vorgesehen, wobei der Verbrennungsmotor einen oder mehrere Brennräume ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile zugeordnet sind. Die Auslassventile sind mittels eines Ventiltriebs betätigbar, wobei den Brennräumen zugeordnete erste Auslassventile über eine gemeinsame erste Abgasflut und den Brennräumen zugeordnete zweite Auslassventile über eine gemeinsame zweite Abgasflut des Abgasstrangs mit der oder den Abgasturbinen in Abgas leitender Verbindung stehen. Dabei ist für die zweite Abgasflut eine größere Kühlwirkung (in zumindest einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine und vorzugsweise stets im Betrieb der Brennkraftmaschine) als für die erste Abgasflut realisiert.
Die Brennkraftmaschine kann weiterhin eine Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung des Ventiltriebs basierend auf einem Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors aufweisen, wobei die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese den Ventiltrieb derart ansteuert, dass dieser

- bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebskennfeldbereich, der durch relativ niedrige Kombination aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die ersten Auslassventile (vorzugsweise im maximalen Ausmaß) betätigt und die zweiten Auslassventile nicht oder in einem relativ kleinen (d.h. nicht maximalen und insbesondere im Vergleich zu den ersten Auslassventilen kleineren) Ausmaß betätigt sowie
- bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem zweiten Betriebskennfeldbereich, der durch relativ hohe Kombination aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die zweiten Auslassventile im maximalen Ausmaß betätigt.

Dabei können die ersten Auslassventile bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors gemäß einem in dem zweiten Betriebskennfeldbereich liegenden Betriebspunkt nicht oder (gegebenenfalls auch variabel) in einem relativ kleinen Ausmaß oder in einem maximalen Ausmaß betätigt werden. Es besteht die Möglichkeit, dass das Betriebskennfeld zusätzlich zu den definierten ersten und zweiten Betriebskennfeldbereichen weitere Betriebskennfeldbereiche aufweist, die durch definierte Betätigungen und/oder Nichtbetätigungen der Auslassventile gekennzeichnet sind oder die definierten ersten und zweiten Betriebskennfeldbereiche in Unterbereiche unterteilt sind.
Eine Betätigung der Auslassventile hinsichtlich des „Ausmaßes“ bezieht sich auf die spezifische Menge an Abgas, das im Rahmen eines Öffnungsevents eines Auslassventils infolge einer Öffnung des Auslassventils über dieses aus dem dazugehörigen Brennraum abgeführt werden kann. Vorzugsweise ist dieses Ausmaß beeinflussbar, in dem die Größe des Ventilhubs veränderbar ist. Dies soll die Durchführung eines Nullhubs, d.h. eines geschlossen Haltens, des Auslassventils, einschließen. Ergänzend oder alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, dieses „Ausmaß“ durch eine Veränderung der Öffnungsdauer (in °KW) für die Auslassventile und/oder eine Veränderung der Ventilerhebungskurven zu beeinflussen.
Mittels einer solchen Brennkraftmaschine kann erreicht werden, dass bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit niedrigen Drehzahlen und Lasten gemäß einem innerhalb des ersten Betriebskennfeldbereichs gelegenen Betriebspunkts das in den Brennräumen anfallende Abgas primär oder ausschließlich über die erste Abgasflut, für die eine relativ geringere Kühlwirkung realisiert ist, abgeführt und zu der sich daran anschließenden Abgasturbine geführt wird, wodurch Nachteile, die sich aus einer Kühlung des bei einem Betrieb innerhalb dieses Betriebskennfeldbereichs ohnehin nicht besonders heißen Abgases ergeben würden, vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. Diese Nachteile können insbesondere ein relativ schlechtes Ansprechverhalten eines die Abgasturbine umfassenden Abgasturboladers sowie ein relativ schlechtes Low-End-Torque-Verhalten der Brennkraftmaschine infolge eines Enthalpieverlustes des Abgases sein. Weitere Nachteile, die sich aus einer ungewollten Kühlung des bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in dem ersten Betriebskennfeldbereich erzeugten Abgases ergeben würden, sind eine Verzögerung des Erreichens einer sogenannten Light-Off-Temperatur einer insbesondere stromab des oder der Abgasturbine(n) in den Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtung, eine Verlängerung von Maßnahmen zur Beheizung einer solchen Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Gefahr eines Auskühlen der Abgasnachbehandlungseinrichtung und/oder erhöhte Anforderungen an ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine, insbesondere hinsichtlich der Wärmeabfuhr aus dem Kühlsystem an die Umgebung.
Bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit relativ hohen Kombinationen aus Drehzahl und Last im zweiten Betriebskennfeldbereich, bei dem der Verbrennungsmotor relativ heißes Abgas erzeugt, wird das Abgas dagegen zusätzlich (gegebenenfalls hauptsächlich) oder ausschließlich durch die zweite Abgasflut, für die eine relativ hohe Kühlwirkung realisiert ist, abgeführt. Dadurch kann eine thermische Überlastung von Komponenten des Abgasstrangs und insbesondere der Abgasturbine(n) vermieden werden.
Eine solche Brennkraftmaschine ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der minimale und/oder der mittlere Strömungsquerschnitt der ersten Abgasflut kleiner (vorzugsweise mindestens 10%, besonders bevorzugt mindestens 30% kleiner) als der entsprechende Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasflut ausgelegt ist. Dadurch können weitere Vorteile, insbesondere hinsichtlich des Betriebsverhaltens des Verbrennungsmotors, realisiert werden. Insbesondere wird die Realisierung einer Stoßaufladung ermöglicht beziehungsweise positiv beeinflusst, indem aufgrund der relativ kleinen Dimensionierung der ersten Abgasflut eine relativ stark ausgeprägte Pulsation des Drucks des Abgases in der ersten Abgasflut mit entsprechend stark ausgeprägten Druckspitzen und Drucktälern erzeugt wird. Dabei ergibt sich im Bereich des Ladungswechsel-OT (d.h. dem oberen Totpunkt in der zyklischen Hin und her Bewegung eines einen Brennraum des Verbrennungsmotors begrenzenden Kolbens, der bei einem Viertakt-Verbrennungsmotor den Wechsel zwischen Ausstoßtakt und Ansaugtakt definiert) ein Druckgefälle (sogenanntes positives Spülgefälle) des Drucks des Abgases in der ersten Abgasflut im Vergleich zu dem Druck des Frischgases in einem an Einlassventile des Verbrennungsmotors angrenzenden Abschnitt (z.B. in einem Saugrohr) eines Frischgasstrangs der Brennkraftmaschine bewirkt. Dieses Druckgefälle kann mit einer vorzugsweise für zumindest einen (gegebenenfalls für jeden) Betriebszustand einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehenen Ventilüberschneidung, d.h. einem gleichzeitigen Öffnen zumindest des ersten Auslassventils und zumindest eines Einlassventils je Brennraum in einem den Ladungswechsel-OT umfassenden Zeitraum, dazu genutzt werden, in den Brennräumen enthaltenes Abgas mit Frischgas aus den Brennräumen zu spülen. Auf diese Weise kann eine Erhöhung des Wirkungsgrads im Betrieb des Verbrennungsmotors und insbesondere eine bessere Füllung der Brennräume mit Frischgas, eine relativ geringe Klopfneigung, durch die eine relativ frühe Zündung und relativ frühe Schwerpunktlagen ermöglicht werden, sowie insgesamt ein relativ hohes spezifisches Drehmoment realisiert werden. Weiterhin kann auf diese Weise infolge des zusätzlichen Frischgases, das über die erste Abgasflut gemeinsam mit dem Abgas der an die erste Abgasflut angeschlossenen Abgasturbine zugeführt wird, eine Erhöhung der kinetischen Energie der Gasströmung am Eintritt der Abgasturbine und dadurch ein verbessertes Ansprechverhalten der Abgasturbine realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorteile, die sich aus der relativ kleinen Auslegung der ersten Abgasflut ergeben, ohne relevante Nachteile insbesondere hinsichtlich der erreichbaren Nennleistung sein können, weil Nachteile hinsichtlich der Nennleistung, wie insbesondere erhöhte Ladungswechselverluste und/oder ein Anfettungsbedarf dadurch vermieden werden, dass bei höheren Kombinationen aus Drehzahl und Last das Abgas (auch) über die zweite, größer ausgelegte Abgasflut geführt werden kann beziehungsweise wird.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren kann ein gemeinsamer Abgassammler des Abgasstrangs, der die Brennräume mit der Abgasturbine verbindet, in relevantem Maße zu einem sogenannten Übersprechen eines Auslassstoßes eines Abgas ausstoßenden Brennraums auf die übrigen Zylinder führen. Dies kann zu einer unerwünschten Beeinflussung des Betriebsverhaltens führen, da es zum Rückströmen von Abgas aus dem Abgassammler in die Brennräume kommen kann. Dies kann mit einer erhöhten Restgasrate in diesen Brennräumen und somit beispielsweise bei Ottomotoren mit einer erhöhten Klopfneigung und daraus folgend einer Reduzierung des Verbrennungswirkungsgrads und des erzeugbaren Drehmoments verbunden sein. Die Höhe eines solchen Übersprechens ist grundsätzlich von der Drehzahl, mit dem der Verbrennungsmotor angetrieben wird, und damit von der Frequenz des Auftretens der Auslassstöße abhängig, wobei für ein Geringhalten des Übersprechens bei relativ niedrigen Drehzahlen eine relativ kurze Öffnungsdauer der Auslassventile erforderlich ist, während diese Öffnungsdauer bei zunehmender Drehzahl tendenziell verlängert werden kann, um ein Übersprechen in vergleichbarem Maße gering zu halten. Dabei können mit einer relativ lange Öffnungsdauer tendenziell Ladungswechselverluste und Restgasgehalte in den Brennräumen in vorteilhafter Weise relativ gering gehalten werden.
Dementsprechend ist bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser die ersten Auslassventile mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die kleiner als der Zündabstand der Brennräume ist oder diesem höchsten entspricht. Dadurch kann insbesondere ein Übersprechen bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem definierten ersten Betriebskennfeldbereich, der durch eher niedrige Drehzahlen gekennzeichnet ist, in vorteilhafter Weise gering gehalten werden. Andererseits ist vorgesehen, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser die zweiten Auslassventile mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt (sofern er diese betätigt), die größer als der Zündabstand der Brennräume ist oder diesem mindestens entspricht. Dadurch können sowohl ein relativ geringes Übersprechen als auch möglichst reduzierte Ladungswechselverluste und Restgasgehalte realisiert werden.
Als „Öffnungsdauer“ wird erfindungsgemäß der Abschnitt der Gesamtöffnungsdauer verstanden, der zwischen dem Erreichen eines Ventilhubs von einem Millimeter bei der Öffnungsbewegung und dem darauffolgenden Erreichen eines Ventilhubs von einem Millimeter bei der Schließbewegung gelegen ist. Demnach sollen im Hinblick auf die Form üblicher Ventilerhebungskurven die sehr flach ansteigenden beziehungsweise abfallenden Abschnitte zum jeweiligen Beginn und zum jeweiligen Ende der Ventilerhebungskurven von der „Öffnungsdauer“ nicht umfasst sein, weil in diesen Abschnitten der Ventilerhebungskurven von den Gaswechselventilen kein relevanter Öffnungsquerschnitt freigegeben ist.
Als „Zündabstand“ wird der Winkelbereich, bezogen auf die Drehung einer Abtriebswelle und insbesondere einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, verstanden, der sich dadurch ergibt, dass der Drehwinkel der Abtriebswelle, den diese prinzipbedingt zwischen zwei gewollten Brennvorgängen in jedem der Brennräume durchführt, durch die Anzahl an Brennräumen dividiert wird. Bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor, bei dem die Erfindung besonders bevorzugt zur Anwendung kommen kann, beträgt der Drehwinkel der Kurbelwelle (Abtriebswelle), den diese prinzipbedingt zwischen zwei gewollten Brennvorgängen in jedem der Brennräume durchführt, 720°. Bei einem Verbrennungsmotor mit beispielsweise drei Brennräumen (gegebenenfalls je Zylinderbank) beträgt der Zündabstand demnach 240°KW, bei einem Verbrennungsmotor mit vier Brennräumen 180°KW, bei einem Verbrennungsmotor mit fünf Brennräumen 144°KW und bei einem Verbrennungsmotor mit sechs Brennräumen 120°KW.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich im Übrigen auch lediglich um einen Teil-Verbrennungsmotor und insbesondere um eine sogenannte Zylinderbank bei einem mehrere Zylinderbänke aufweisenden Verbrennungsmotor, der beispielsweise in einer sogenannten V-Anordnung ausgebildet sein kann, handeln. Relevant ist, dass die Brennräume zumindest einer und vorzugsweise jeder Zylinderbank eines solchen Verbrennungsmotors in der beschriebenen Art und Weise über eine erste Abgasflut und eine zweite Abgasflut mit mindestens einer Abgasturbine verbunden sind.
Die unterschiedliche Kühlwirkung für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann in vorteilhafter Weise dadurch realisiert werden, dass die zweite Abgasflut (aktiv) gekühlt ist; d.h. es sind Maßnahmen vorgesehen, um aktiv eine erhöhte Wärmeabfuhr aus dem über die zweite Abgasflut geführten Abgas zumindest temporär zu bewirken. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zweite Abgasflut mittels dieser zugeordneten Kühlkanälen, die Teil eines Kühlsystems der Brennkraftmaschine sind, gekühlt ist. Die Kühlkanäle können dabei vorzugsweise derart vorgesehen sein, dass diese von der zweiten Abgasflut lediglich durch eine möglichst geringe Wandung getrennt sind. Eine solche aktive Kühlung der zweiten Abgasflut ist in vorteilhafter Weise realisierbar, indem die zweite Abgasflut in ein Zylinderkopfgehäuse des Verbrennungsmotors integriert ist, da in ein solches Zylinderkopfgehäuse ohnehin regelmäßig Kühlkanäle integriert werden müssen, um andere Komponenten des Verbrennungsmotors zu kühlen.
Die unterschiedliche Kühlwirkung für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann alternativ oder, vorzugsweise, ergänzend auch dadurch in vorteilhafter Weise realisiert werden, dass für die erste Abgasflut eine thermische Isolation, d.h. eine Struktur, deren primäre oder ausschließliche Funktion ein Geringhalten eines Wärmeübergangs von dem die erste Abgasflut durchströmenden Abgas auf eine Umgebung der ersten Abgasflut ist, vorgesehen ist. Eine solche thermische Isolation der ersten Abgasflut kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn, wie es vorzugsweise vorgesehen ist, (auch) die erste Abgasflut in ein Zylinderkopfgehäuse des Verbrennungsmotors integriert ist, weil dadurch grundsätzliche Vorteile, wie insbesondere eine kompakte Bauform des Verbrennungsmotors, ein kurzer Strömungsweg zwischen den Brennräumen und der oder den Abgasturbinen, ein relativ geringes Gewicht des Verbrennungsmotors und relativ geringe Herstellungskosten für den Verbrennungsmotor realisierbar sind. Mittels der thermischen Isolation der ersten Abgasflut, die dann durch einen der ersten Abgasflut zugeordneten (und diese vorzugsweise möglichst vollumfänglich umgebenden) und in das Zylinderkurbelgehäuse integrierten Isolationsabschnitt, der sich von an diesen angrenzenden Abschnitten des Zylinderkopfgehäuses in struktureller und/oder werkstofftechnischer Hinsicht unterscheiden kann, gebildet sein kann, kann folglich eine ungewollte Kühlung des die erste Abgasflut durchströmenden Abgases infolge einer grundsätzlich für das Zylinderkopfgehäuse vorgesehenen Kühlung wirkungsvoll verhindert oder zumindest gering gehalten werden. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Isolationsabschnitt als Einsatz aus beispielsweise einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. Dieser Einsatz kann beispielsweise beim Herstellen des Zylinderkopfgehäuses mit einem zur Ausbildung des restlichen Zylinderkopfgehäuses vorgesehenen Material umgossen werden, wodurch dessen Integration mit einem nur geringfügigen zusätzlichen Herstellungsaufwand verbunden ist. Möglich ist auch eine Ausgestaltung des Isolationsabschnitts als integraler, d.h. von der Art des Werkstoffs nicht abweichender Abschnitt des Zylinderkopfgehäuses, der sich jedoch durch eine definierte Porosität und folglich durch die Ausbildung einer Vielzahl von insbesondere mit Luft oder einem anderen Gas gefüllten oder ungefüllten (Vakuum) Hohlräumen von dem Werkstoff der angrenzenden Abschnitte unterscheidet.
Der Ventiltrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann in einer bevorzugten Ausgestaltungsform derart ausgebildet sein, dass dieser hinsichtlich einer Betätigung der ersten Auslassventile und/oder der zweiten Auslassventile zwischen mindestens zwei alternativ verwendbaren Ventilnocken umschaltbar ist. Dabei können die (jeweils) mindestens zwei unterschiedlichen Ventilnocken vorzugsweise einerseits einen Nullhub, d.h. ein Geschlossenhalten der entsprechenden Gaswechselventile, und andererseits ein Öffnen im maximalen Ausmaß, insbesondere mit einem maximalen Ventilhub, bewirken. Insbesondere bei der Ausgestaltung des Ventiltriebs mit mehr als zwei alternativ verwendbaren Ventilnocken für die Einlass- und/oder Auslassventile kann auch mindestens ein Ventilnocken vorgesehen sein, durch den das dazugehörige Gaswechselventil in einem Ausmaß geöffnet wird, dass zwischen einem Nullhub (kein Öffnen) und einem Öffnen im maximalen Ausmaß liegt. Ein Vorteil einer solchen schaltbaren Ausgestaltung des Ventiltriebs liegt in der Möglichkeit einer relativ einfachen konstruktiven Ausgestaltung. Insbesondere kann ein solcher schaltbar Ventiltrieb entsprechend der in der DE 196 11 641 C1 offenbarten Ausgestaltung vorgesehen sein. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dazu alternative Ventiltriebe, die eine Variabilität hinsichtlich des Ausmaßes der Öffnungen der Gaswechselventile bieten, wie beispielsweise bekannte mechanische, elektromechanische oder hydraulische vollvariable Ventiltriebe, einzusetzen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Länge der zweiten Abgasflut größer als die Länge der ersten Abgasflut ist. Dabei bezieht sich der Begriff „Länge“ auf die Längserstreckung jedes Strangs einer Abgasflut, der sich von einem diesem Strang zugeordneten Gaswechselventile bis zu einem Auslass der entsprechenden Abgasflut erstreckt, wobei dieser Auslass vorzugsweise im Übergang zu einem Einlass einer an den entsprechenden Abgasstrang angeschlossenen Abgasturbine und/oder, bei einer vorzugsweise vorgesehenen Integration der Abgasflut in ein Zylinderkopfgehäuse des Verbrennungsmotors, als Auslassöffnung des Zylinderkopfgehäuses ausgebildet sein kann. Dabei soll erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass die Längserstreckung(en) zumindest eines, vorzugsweise der Mehrzahl und besonders bevorzugt sämtlicher Stränge der zweiten Abgasflut größer als die entsprechenden Längserstreckung(en) der ersten Abgasflut ist/sind. Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, der eine gerade Anzahl an Brennräumen aufweist, ergibt sich daraus, dass auch die Gesamtlänge der zweiten Abgasflut größer als die Gesamtlänge der ersten Abgasflut ist. Mittels der vorzugsweise vorgesehenen größeren Länge der zweiten Abgasflut im Vergleich zu der Länge der ersten Abgasflut kann wiederum die Realisierung einer Stoßaufladung positiv beeinflusst werden.
In einer Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die erste Abgasflut und die zweite Abgasflut mit derselben Abgasturbine in Verbindung stehen. Dadurch kann insbesondere eine einfach aufgeladene Ausgestaltung beziehungsweise eine Ausgestaltung mit sogenanntem Mono-Abgasturbolader realisiert werden, die mit relativ geringen Herstellungskosten verbunden sein kann. Dabei kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Abgasturbine eine Segmentturbine oder eine Twinscroll-Turbine ist, wodurch die einzelnen über die Abgasfluten geführten Abgasströme energetisch vorteilhaft in der Abgasturbine umgesetzt werden können. Auch kann sich eine Ausgestaltung der Abgasturbine als Segmentturbine oder als Twinscroll-Turbine vorteilhaft hinsichtlich eines Übersprechens von Auslassstößen auswirken.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die erste Abgasflut und die zweite Abgasflut mit separaten Abgasturbinen in Verbindung stehen, wodurch ergänzende Ausgestaltungsmöglichkeiten geschaffen werden, die sich vorteilhaft hinsichtlich des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine auswirken können.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine mit der ersten Abgasflut in Verbindung stehende erste Abgasturbine kleiner als eine mit der zweiten Abgasflut in Verbindung stehende zweite Abgasturbine ausgelegt ist. Dadurch kann ein möglichst gutes Ansprechverhalten in dieser Abgasturbine und daraus folgend ein möglichst gutes Low-End-Torque (LET) realisiert werden. Die relativ große Auslegung der zweiten Abgasturbine gewährleistet dagegen (gegebenenfalls in Kombination mit der weiterhin mit Abgas beaufschlagten ersten Abgasturbine) bei relativ hohen Drehzahlen und Lasten eine möglichst vollständige Umsetzung der Enthalpie des Abgases, was sich positiv auf das Betriebsverhalten und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine auswirken kann.
Hinsichtlich der „Auslegung“ einer Abgasturbine wird dabei die Größe des Turbinenlaufrads und daraus folgend die Größe des Abgasmassenstroms, der durch dieses hindurch geführt werden kann, bevor die Stopfgrenze der Abgasturbine erreicht ist, verstanden.
Da die mit der ersten Abgasflut in Verbindung stehende erste Abgasturbine primär bei relativ niedrigen Kombinationen aus Drehzahl und Last im Betrieb des Verbrennungsmotors und folglich mit relativ kühlem Abgas beaufschlagt werden soll, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass diese ungekühlt, d.h. für diese keine aktive Kühlung vorgesehen ist und/oder für diese sogar eine thermische Isolation bereitgestellt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass ein möglichst großer Anteil der Enthalpie des Abgases von der Abgasturbine umgesetzt werden kann. Die mit der zweiten Abgasflut in Verbindung stehende zweite Abgasturbine kann dagegen in vorteilhafter Weise gekühlt ausgebildet sein, um auch bei einem Betrieb mit relativ hohen Kombinationen aus Drehzahl und Last, in denen diese primär oder ausschließlich im Betrieb der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird, eine thermische Überlastung der zweiten Abgasturbine zu vermeiden. Dies kann ermöglichen, diese aus relativ gering thermisch belastbaren Werkstoffen und folglich kostengünstig auszugestalten. Die Kühlung der zweiten Abgasturbine kann sich dabei insbesondere auf das Turbinengehäuse und gegebenenfalls auch auf ein Lagergehäuse beziehen. Ein solches Lagergehäuse nimmt eine Lagerung sowie eine Welle auf, die drehfest mit einem Turbinenlaufrad der zweiten Abgasturbine und vorzugsweise auch mit einem Verdichterlaufrad eines Verdichters, der gemeinsam mit der zweiten Abgasturbine einen (zweiten) Abgasturbolader ausbildet, verbunden ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass das Betriebskennfeld einen Übergangsbereich aufweist, so dass ein Umschalten von einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem ersten Betriebskennfeldbereich zu einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem zweiten Betriebskennfeldbereich bei höheren Kombinationen aus Drehzahl und Last erfolgt als ein Umschalten von einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem zweiten Betriebskennfeldbereich zu einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem ersten Betriebskennfeldbereich. Dadurch kann bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine im Bereich eines grundsätzlich für das Umschalten vorgesehenen Übergangs, der insbesondere in etwa mittig des Überweisungsbereichs vorgesehen sein kann, ein häufiges Umschalten zwischen den Betriebsarten vermieden werden.
Bei dem Verbrennungsmotor einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann es sich vorzugsweise um einen Ottomotor oder einen anderen fremdgezündeten Verbrennungsmotor handeln, da das Abgas eines solchen Verbrennungsmotors zumindest temporär relativ hohe Temperaturen im Vergleich zu beispielsweise einem Dieselmotor aufweist, wodurch die Notwendigkeit einer zumindest temporären Kühlung des Abgases, insbesondere aus Gründen des Bauteilschutzes, resultieren kann. Auch kann sich bei einem Ottomotor ein Übersprechen zwischen den Brennräumen und/oder ein erhöhter Abgasgegendruck besonders negativ auswirken. Selbstverständlich kann es sich bei dem Verbrennungsmotor jedoch auch um einen Dieselmotor handeln.
Die Erfindung betrifft im Übrigen auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß der definierten Ansteuerung des Ventiltriebs durch die Steuerungsvorrichtung, so dass

- bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebskennfeldbereich, der durch relativ niedrige Kombinationen aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die ersten Auslassventile (vorzugsweise im maximalen Ausmaß) betätigt und die zweiten Auslassventile nicht oder in einem relativ kleinen Ausmaß betätigt werden sowie
- bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors in einem zweiten Betriebskennfeldbereich, der durch relativ hohe Kombinationen aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die zweiten Auslassventile im maximalen Ausmaß betätigt werden.

Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform in einer schematischen Darstellung;
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform in einer schematischen Darstellung;
3: ein Betriebskennfeld, gemäß dem ein Verbrennungsmotor einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 oder der 2 betrieben werden kann;
4: ein weiteres Betriebskennfeld, gemäß dem ein Verbrennungsmotor einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 oder der 2 betrieben werden kann; und
5: in einem Diagramm beispielhafte Verläufe der Gasdrücke in einer Abgasflut, in einem Brennraum sowie in einem Saugrohr einer Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise den 1 und 2.

Die 1 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der im vorliegenden Ausgestaltungsbeispiel als Reihenmotor mit vier Zylindern 12 beziehungsweise Brennräumen 12 ausgebildet ist. Die Brennräume 12 sind jeweils von Abschnitten einer Zylinderwand, von der Oberseite eines beweglich innerhalb des dazugehörigen Zylinders 12 geführten Kolbens sowie von einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 10 begrenzt. Den Brennräumen 12 kann über einen Frischgasstrang Frischgas, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt werden, wobei das Einbringen des Frischgases in die Brennräume mittels Einlassventilen 14 gesteuert wird. In den Frischgasstrang ist ein Verdichter 16 integriert, der im Betrieb der Brennkraftmaschine für eine variable Verdichtung des Frischgases sorgt. Ein Ladeluftkühler 18, der in die Ladeluftstrecke 56, d.h. in den zwischen dem Verdichter 16 und den Einlassventilen 14 angeordneten Abschnitt des Frischgasstrangs, integriert ist, dient einer Kühlung des infolge der Verdichtung erwärmten Frischgases, um eine dadurch bedingte Reduzierung der Füllung der Brennräume 12 zu vermeiden.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird in den Brennräumen 12 mittels nicht dargestellten Kraftstoffinjektoren direkt eingebrachter Kraftstoff mit dem in die Brennräume 12 eingebrachten Frischgas verbrannt, wodurch von dem Verbrennungsmotor 10 eine Antriebsleistung erzeugt wird. Die Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs führt zur Erzeugung von Abgas, das über einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine abgeführt wird. Dabei durchströmte das Abgas eine in den Abgasstrang integrierte Abgasturbine 20, wodurch ein Turbinenlaufrad (nicht dargestellt) drehend angetrieben wird. Diese Drehung des Turbinenlaufrads wird über eine Welle 22 auf ein Verdichterlaufrad (nicht dargestellt) des Verdichters 16 übertragen, um die Verdichtungsleistung zu erzeugen. Das Abführen des Abgases aus den Brennräumen 12 wird mittels Auslassventilen 24, 26 gesteuert.
Die Einlassventile 14 und die Auslassventile 24, 26 des Verbrennungsmotors 10 werden mittels eines nicht dargestellten Ventiltriebs betätigt, der insbesondere in bekannter Weise zwei Nockenwellen umfassen kann, die von einer Abtriebs- beziehungsweise Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 mit einer Übersetzung von ½ drehend angetrieben werden. Die Nockenwellen bilden für jedes Gaswechselventil (Einlassventil 14 oder Auslassventil 24, 26) mindestens eine Nockenlaufbahn mit mindestens einer Nockenerhebung aus, wobei die Nockenlaufbahnen direkt oder indirekt mit den Gaswechselventilen, die jeweils federbelastet in eine geschlossene Stellung beaufschlagt sind, kontaktieren. Bei einem Kontakt im Bereich der Nockenerhebung wird das jeweilige Gaswechselventil gemäß einer durch die Form der Nockenerhebung definierten Ventilerhebungskurve zunächst geöffnet und daran anschließend wieder geschlossen.
Jedem der Brennräume 12 ist ein erstes Auslassventil 24 und ein zweites Auslassventil 26 zugeordnet. Die ersten Auslassventile 24 stehen über eine gemeinsame erste Abgasflut 28 mit der Abgasturbine 20 (einlassseitig) in Abgas leitender Verbindung, während die zweiten Auslassventile26 über eine gemeinsame zweite Abgasflut 30 ebenfalls mit der Abgasturbine 20 (einlassseitig) in Abgas leitender Verbindung stehen. Beide Abgasfluten 28, 30 sind in ein Zylinderkopfgehäuse 32 des Verbrennungsmotors 10 integriert und umfassen jeweils vier Auslasskanäle 34, die jeweils eines der Auslassventile 24, 26 mit einem Sammelabschnitt 36 der entsprechenden Abgasflut 28, 30 verbinden. Ein Auslassabschnitt 38 jeder Abgasflut 28, 30 verbindet den dazugehörigen Sammelabschnitt 38 mit einer (separaten oder gemeinsamen) Auslassöffnung, die wiederum in fluidleitender Verbindung mit einem Einlass, der von einem Gehäuse der Abgasturbine ausgebildet ist, direkt verbunden ist. Ein Gehäuse der Abgasturbine 20 ist demnach direkt an das Zylinderkopfgehäuse 32 angeflanscht.
In das Zylinderkopfgehäuse 32 sind Kühlkanäle 40 integriert, die Bestandteil eines grundsätzlich bekannten Kühlsystems der Brennkraftmaschine sind und die zum Zweck der Kühlung mittels einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden können. Die Anordnung der Kühlkanäle 40 innerhalb des Zylinderkopfgehäuses ist dabei derart, dass gezielt auch eine aktive Kühlung für Abgas, das die zweite Abgasflut 30 durchströmt, erreicht wird. Dazu kann insbesondere vorgesehen sein, die Kühlkanäle 40 zumindest abschnittsweise in der Nähe von der zweiten Abgasflut 30 beziehungsweise lediglich durch relativ geringe Wandstärken getrennt von der zweiten Abgasflut 30 verlaufen zu lassen. Andererseits soll für Abgas, dass die erste Abgasflut 28 durchströmt, möglichst keine Kühlwirkung realisiert werden. Dazu ist vorgesehen, dass für die erste Abgasflut 28 zumindest abschnittsweise eine thermische Isolation 42 vorgesehen ist, indem beispielsweise Einsätze aus einem thermisch gut isolierenden, beispielsweise keramischen Werkstoff, derart in das Zylinderkopfgehäuse32 integriert sind, dass diese die erste Abgasflut 28 von einer Kühlwirkung durch die Kühlkanäle 40 möglichst gut abschirmen
Der Ventiltrieb ist derart ausgebildet, dass dieser hinsichtlich einer Betätigung zumindest der zweiten Auslassventile 26 und vorzugsweise auch der ersten Auslassventile 24 zwischen mindestens zwei alternativ verwendbaren Ventilnocken je Gaswechselventil umschaltbar ist, wobei einer dieser mindestens zwei Ventilnocken als Nullnocken ausgebildet ist und hierzu eine zylindrische Nockenlaufbahnen ohne Nockenerhebung aufweist. Ein weiterer dieser mindestens zwei Ventilnocken ist dagegen als Betätigungsnocken ausgeführt, dessen Nockenerhebung zu einem Öffnen des diesem zugeordneten Gaswechselventils (mit einem maximalen Ventilhub) führt. Ein oder mehrere zusätzliche Ventilnocken können Nockenerhebungen aufweisen, die zu einer abweichenden Betätigung des Gaswechselventils, insbesondere hinsichtlich der Größe des maximalen Ventilhubs, der Form der Ventilerhebungskurve und/oder der Steuerzeit, d.h. dem Auftreten des Öffnungsevents im Verhältnis zu der Drehausrichtung der Kurbelwelle, im Vergleich zu einer Betätigung mittels des Betätigungsnockens führen. Eine bevorzugt verwendbare Ausgestaltung eines solchen Ventiltriebs ist in der DE 196 11 641 C1 oder der DE 10 2015 105 735 C1 (dort in abweichender Verwendung zur Betätigung einer Hochdruckkraftstoffpumpe) offenbart.
Ein Betrieb der Brennkraftmaschine gemäß der 1 kann anhand eines der in den 3 und 4 vereinfacht dargestellten Betriebskennfeldern erfolgen. Dabei zeigen die 3 und 4 jeweils die so genannte Volllastlinie 44, die das Betriebskennfeld nach oben (d.h. bezüglich des erreichbaren Drehmoments M) begrenzt. Punkte innerhalb eines solchen Betriebskennfeld definieren einen Betriebszustand für die Brennkraftmaschine und konkret den Verbrennungsmotor 10, wobei ein solcher Betriebszustand durch die Höhe des von dem Verbrennungsmotor 10 erzeugten, von der Last, mit der dieser betrieben wird, abhängigen Drehmoments M (Vertikalachse) und der Drehzahl n (Horizontalachse), mit der der Verbrennungsmotor 10 dabei angetrieben ist, definiert ist.
Das Betriebskennfeld gemäß der 3 ist mittels einer Trennlinie 46 in einen ersten Betriebskennfeldbereich 48 und einen zweiten Betriebskennfeldbereich 50 unterteilt. Der erste Betriebskennfeldbereich 48 ist, jeweils im Vergleich zu dem zweiten Betriebskennfeldbereich 50, durch relativ niedrige Kombinationen aus Drehzahl n und Last (entsprechend dem Drehmoment M) gekennzeichnet, wobei zwar auch im ersten Betriebskennfeldbereich 48 ein Betrieb mit Volllast vorliegen kann, dies jedoch nur bei niedrigeren Drehzahlen als in dem zweiten Betriebskennfeldbereich 50. In gleicher Weise können bei einem Betrieb in dem ersten Betriebskennfeldbereich 48 auch relativ hohe Drehzahlen n vorgesehen sein, dies jedoch lediglich in Kombination mit relativ niedrigen (d.h. im Vergleich zu einem Betrieb mit entsprechend hohen Drehzahlen n im zweiten Betriebskennfeldbereich 50 niedrigeren) Lasten (M).
Aufgrund der relativ niedrigen Kombinationen aus Drehzahl n und Last (M) bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 in dem ersten Betriebskennfeldbereich 48 weist das dabei aus den Brennräumen 12 abgeführte Abgas eine relativ niedrige Temperatur auf. Auch kann die Größe des gesamten Abgasmassenstroms dann relativ klein sein. Die in der Abgasturbine 20 in mechanische Leistung umsetzbare Enthalpie und/oder kinetische Energie des Abgasstroms ist daher entsprechend gering. Um zu vermeiden, dass diese Enthalpie durch eine Kühlung des Abgases beim Durchströmen des insgesamt gekühlten Zylinderkopfgehäuse 32 weiter abgesenkt wird, ist vorgesehen, dass bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 in dem ersten Betriebskennfeldbereich 48 ausschließlich die ersten Auslassventile 24 betätigt werden, so dass das anfallende Abgas vollständig über die thermisch isolierte erste Abgasflut 28 zu der Abgasturbine 20 geführt wird. Wird der Verbrennungsmotor 10 dagegen gemäß einem innerhalb des zweiten Betriebskennfeldbereichs 50 liegenden Betriebspunkt betrieben, werden zusätzlich oder ausschließlich die zweiten Auslassventile 26 mittels des Ventiltriebs betätigt, so dass das Abgas dann ausschließlich oder zusätzlich über die zweite, gekühlte Abgasflut 30 aus den Brennräumen 12 ab- und der Abgasturbine 20 zugeführt wird. Durch die Kühlung des (Anteils des) durch die zweite Abgasflut 30 geführten Abgases kann die Temperatur des die Abgasturbine 20 durchströmende Abgases relativ gering gehalten werden, wodurch eine thermische Überlastung der Abgasturbine 20 vermieden werden kann.
Die 4 zeigt die Möglichkeit, anstelle eines durch eine einzelne Trennlinie 46 definierten Übergangs zwischen den Betriebskennfeldbereichen 48, 50 einen Übergangsbereich 52 zu definieren, der durch zwei Trennlinien 46 begrenzt ist, an denen jeweils ein Umschalten zwischen den Betriebsarten ((1.) Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit einem Führen des Abgases ausschließlich über die erste Abgasflut 28 oder (2.) zusätzlich/ausschließlich über die zweite Abgasflut 30) erfolgen kann, je nachdem, ob der Betrieb des Verbrennungsmotors 10 vor dem Umschalten in Betriebspunkten erfolgte, die in dem ersten Betriebskennfeldbereich 48 oder dem zweiten Betriebskennfeldbereich 50 lagen. Erfolgte zuvor ein Betrieb mit einem Führen des Abgases ausschließlich über die erste Abgasflut 28, so erfolgt ein Umschalten in die andere Betriebsart erst bei der in dem Betriebskennfeld gemäß der 4 höher und weiter rechts gelegenen Trennlinie 46 und somit bei (im Vergleich zu der anderen Trennlinie 46) relativ hohen Kombinationen aus Drehzahl n und Last (M). Erfolgte dagegen zuvor ein Betrieb mit einem Führen des Abgases ausschließlich oder zusätzlich über die zweite Abgasflut 30, so erfolgt ein Umschalten in die andere Betriebsart erst bei der in dem Betriebskennfeld tiefer und weiter links gelegenen Trennlinie 46 und somit bei relativ niedrigen Kombinationen aus Drehzahl n und Last (M). Mittels des Übergangsbereichs kann ein häufiges Umschalten der Betriebsarten vermieden werden, das auftreten könnte, wenn bei der Definition lediglich einer Trennlinie gemäß der 3 ein länger andauernder dynamischer Betrieb des Verbrennungsmotors 10 in der Nähe dieser Trennlinie 46 vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der minimale und/oder der mittlere Strömungsquerschnitt der ersten Abgasflut 28 kleiner als der entsprechende Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasflut 30 ausgelegt ist. Dadurch sollen insbesondere die für den Betrieb des Verbrennungsmotors 10 positiven Vorteile einer sogenannten Stoßaufladung bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 gemäß einem innerhalb des ersten Betriebskennfeldbereichs 48 liegenden Betriebspunkts möglichst optimal genutzt werden. Durch die relativ kleine Auslegung der ersten Abgasflut 28 kann eine relativ stark ausgeprägte Pulsation des Drucks p_A in der ersten Abgasflut realisiert werden, wie dies beispielhaft in der 5 dargestellt ist. Dort ist über der Dauer von zwei Umdrehungen (Drehwinkel φ) der Kurbelwelle neben dem Verlauf des Drucks p_A in der ersten Abgasflut auch der Druck p_L in der Ladeluftstrecke sowie der Druck p_Z1 in einem ersten Brennraum 12 dargestellt. Weiterhin ist darin die Öffnungsdauer t_EZ1, t_AZ1 für das oder die diesem Brennraum 12 zugeordneten Einlassventile 14 (t_EZ1: erstreckt sich von einem Öffnungszeitpunkt E_O bis zu einem Schließzeitpunkt (E_C)) und für das diesem Brennraum 12 zugeordnete erste Auslassventil 24 (t_AZ1: erstreckt sich von einem Öffnungszeitpunkt A_O bis zu einem Schließzeitpunkt A_C) angegeben. Eine ausgeprägte Druckspitze für den Druck p_A in der ersten Abgasflut ergibt sich jeweils kurz nach einem beginnenden Öffnen eines der ersten Auslassventile 24, wobei dieser Druck p_A nach dem Erreichen eines Maximum relativ schnell und stark abfällt, so dass bis zum Erreichen einer weiteren Druckspitze, die sich durch das nachfolgende Öffnen eines einem anderen Brennraum zugeordneten ersten Auslassventils 24 ergibt, ein Drucktal ausgebildet ist, in dem der Druck p_A in der ersten Abgasflut 28 deutlich unterhalb des Ladedrucks p_L gelegen ist. Zeitgleich mit dem Durchlaufen eines solchen Drucktals ist eine Ventilüberschneidung φ_U zwischen der Öffnungsdauer des oder der Einlassventile 14 und der Öffnungsdauer des ersten Auslassventils 24 eines Brennraums 12 vorgesehen. Innerhalb dieses durch die Ventilüberschneidung φ_U definierten Zeitraums besteht folglich ein Druckgefälle von der Ladeluftstrecke 56 zu der ersten Abgasflut 28, das in Verbindung mit der gleichzeitigen Öffnung des oder der Einlassventile 14 sowie des ersten Auslassventils 24 eines Brennraums 12 zu einem Spülen dieses Brennraums 12 durch direkt von der Ladeluftstrecke 56 in die erste Abgasflut 28 überströmenden Frischgases führt. Die Größe dieses als positives Spülgefälle 54 bezeichneten Effekts ist in der 5 für den ersten Brennraum 12 anhand der markierten Fläche, die einerseits durch die Verläufe für den Druck p_A in der ersten Abgasflut und dem Druck p_L in der Ladeluftstrecke 56 und andererseits durch den Zeitraum der Ventilüberschneidung φ_U des oder der diesem ersten Brennraum 12 zugeordneten Einlassventile 14 sowie des dazugehörigen ersten Auslassventils 24 begrenzt ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine relativ kleine, eine Stoßaufladung positiv beeinflussende Auslegung der ersten Abgasflut 28 problemlos möglich, weil bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 im Nennpunkt, der an dem oberen Rand des zweiten Betriebskennfeldbereich 50 gelegen ist und in dem ein größtmöglicher Abgasmassenstrom in den Brennräumen 12 erzeugt wird, dieser Abgasmassenstrom nicht (ausschließlich) über die erste Abgasflut 28 sondern (auch) über die relativ groß ausgelegte zweite Abgasflut 30 abgeführt wird.
Die in der 2 dargestellte Brennkraftmaschine unterscheidet sich von derjenigen gemäß der 1 dahingehend, dass anstelle einer einzelnen Abgasturbine 20, die Teil eines einzelnen Abgasturboladers ist und deren Einlass sowohl mit der ersten Abgasflut 28 als auch mit der zweiten Abgasflut 30 in Abgas leitender Verbindung steht, zwei Abgasturbinen 20a, 20b vorgesehen sind, die jeweils Teil eines separaten Abgasturboladers sind. Dabei ist vorgesehen, dass eine relativ klein dimensionierte und mit einer Starrgeometrie (mit oder ohne Wastegate) oder einer variablen Geometrie (VTG) ausgebildete erste Abgasturbine 20a ausschließlich mit der ersten Abgasflut 28 in Abgas leitender Verbindung steht, während eine relativ groß dimensionierte, gegebenenfalls gekühlte und beispielsweise mit einer Starrgeometrie mit Wastegate oder mit einer variablen Geometrie (VTG) ausgebildete zweite Abgasturbine 20b ausschließlich mit der zweiten Abgasflut 30 in Abgas leitender Verbindung steht.
Infolge der zwei Abgasturbolader 20a, 20b ergibt sich abschnittsweise auch eine zweiflutige Ausgestaltung der Ladeluftstrecke 56, wobei diese zwei Fluten der Ladeluftstrecke 56 in dem Ladeluftkühler 18 wieder zusammengeführt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Verbrennungsmotor
12: Zylinder/ Brennraum
14: Einlassventil
16: Verdichter
18: Ladeluftkühler
20: Abgasturbine
20a: erste Abgasturbine
20b: zweite Abgasturbine
22: Welle
24: erstes Auslassventil
26: zweites Auslassventil
28: erste Abgasflut
30: zweite Abgasflut
32: Zylinderkopfgehäuse
34: Auslasskanal
36: Sammelabschnitt einer Abgasflut
38: Auslassabschnitt einer Abgasflut
40: Kühlkanal
42: thermische Isolation
44: Volllastlinie
46: Trennlinie
48: erster Betriebskennfeldbereich
50: zweiter Betriebskennfeldbereich
52: Übergangsbereich
54: positives Spülgefälle
56: Ladeluftstrecke
pA: Druck in der ersten Abgasflut
φ: Drehwinkel der Kurbelwelle
pL: Druck in der Ladeluftstrecke
pZ1: Druck in einem ersten Brennraum
tEZ1: Öffnungsdauer für das dem ersten Brennraum zugeordnete Einlassventil
tAZ1: Öffnungsdauer für das dem ersten Brennraum zugeordnete erste Auslassventil
UTZ1: Unterer Totpunkt der Bewegung eines dem ersten Brennraum zugeordneten Kolbens
OTZ1: Oberer Totpunkt der Bewegung des dem ersten Brennraum zugeordneten Kolbens
EO: Öffnungszeitpunkt für das dem ersten Brennraum zugeordnete Einlassventil
EC: Schließzeitpunkt für das dem ersten Brennraum zugeordnete Einlassventil
AO: Öffnungszeitpunkt für das dem ersten Brennraum zugeordnete erste Auslassventil
AC: Schließzeitpunkt für das dem ersten Brennraum zugeordnete erste Auslassventil
φU: Ventilüberschneidung

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (10), einem Abgasstrang und einer oder mehreren in den Abgasstrang integrierten Abgasturbinen (20), wobei der Verbrennungsmotor (10) einen oder mehrere Brennräume (12) ausbildet, denen jeweils mindestens zwei Auslassventile (24, 26) zugeordnet sind, und wobei die Auslassventile (24, 26) mittels eines Ventiltriebs betätigbar sind, wobei den Brennräumen (12) zugeordnete erste Auslassventile (24) über eine gemeinsame erste Abgasflut (28) und den Brennräumen (12) zugeordnete zweite Auslassventile (26) über eine gemeinsame zweite Abgasflut (30) des Abgasstrangs mit der oder den Abgasturbinen (20) in Abgas leitender Verbindung stehen, wobei für die zweite Abgasflut (30) eine größere Kühlwirkung realisiert ist als für die erste Abgasflut (28), und wobei der minimale und/oder der mittlere Strömungsquerschnitt der ersten Abgasflut (28) kleiner als der entsprechende Strömungsquerschnitt der zweiten Abgasflut (30) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser - die ersten Auslassventile (24) mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die kleiner als der Zündabstand der Brennräume (12) ist oder diesem höchstens entspricht, und - die zweiten Auslassventile (26) mit jeweils einer Öffnungsdauer betätigt, die größer als der Zündabstand der Brennräume (12) ist oder diesem mindestens entspricht.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb derart ausgebildet ist, dass dieser in zumindest einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Ventilüberschneidung (φ_U) bewirkt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abgasflut (30) gekühlt ist und/oder für die erste Abgasflut (28) eine thermische Isolation (42) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasflut (28) und/oder die zweite Abgasflut (30) in ein Zylinderkopfgehäuse (32) des Verbrennungsmotors (10) integriert ist, wobei die zweite Abgasflut (30) mittels dieser zugeordneten Kühlkanälen (40), die Teil eines Kühlsystems der Brennkraftmaschine sind, kühlbar ist und/oder dass die erste Abgasflut (28) mittels in das Zylinderkopfgehäuse (32) integrierten Isolationsabschnitten isoliert ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsabschnitt als vorzugsweise keramischer Einsatz oder als integraler poröser Abschnitt ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventiltrieb hinsichtlich einer Betätigung der ersten Auslassventile (24) und/oder der zweiten Auslassventile (26) durch mindestens zwei alternativ verwendbare Ventilnocken umschaltbar ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zweiten Abgasflut (30) größer als die Länge der ersten Abgasflut (28) ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasflut (28) und die zweite Abgasflut (30) mit derselben Abgasturbine (20) in Verbindung stehen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abgasflut (28) und die zweite Abgasflut (30) mit separaten Abgasturbinen (20a, 20b) in Verbindung stehen.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der ersten Abgasflut (28) in Verbindung stehende erste Abgasturbine (20a) kleiner als eine mit der zweiten Abgasflut (30) in Verbindung stehende zweite Abgasturbine (20b) ausgelegt ist.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine/die mit der ersten Abgasflut (28) in Verbindung stehende erste Abgasturbine (20a) ungekühlt ist und/oder für diese eine thermische Isolation vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine/die mit der zweiten Abgasflut (30) in Verbindung stehende zweite Abgasturbine (20b) gekühlt ist.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung des Ventiltriebs basierend auf einem Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors (10), wobei die Steuerungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass diese den Ventiltrieb derart ansteuert, dass dieser - bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (10) in einem ersten Betriebskennfeldbereich (48), der durch relativ niedrige Kombinationen aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die ersten Auslassventile (24) betätigt und die zweiten Auslassventile nicht oder in einem relativ kleinen Ausmaß betätigt und - bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (10) in einem zweiten Betriebskennfeldbereich (50), der durch relativ hohe Kombination aus Drehzahl und Last gekennzeichnet ist, die zweiten Auslassventile (26) im maximalen Ausmaß betätigt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebskennfeld einen Übergangsbereich (52) aufweist, so dass ein Umschalten von einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem ersten Betriebskennfeldbereich (48) zu einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem zweiten Betriebskennfeldbereich (50) bei höheren Kombination aus Drehzahl und Last erfolgt als ein Umschalten von einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem zweiten Betriebskennfeldbereich (50) zu einer Ansteuerung des Ventiltriebs entsprechend dem ersten Betriebskennfeldbereich (48).