DE102019202380A1

DE102019202380A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer und einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102019202380A1
Application number: DE102019202380.0A
Authority: DE
Inventors: Matthew Hall
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: DE102019202380B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgaskrümmer (4) und einem Abgasturbolader (3), wobei der Abgaskrümmer (4) über eine Hauptleitung stromaufwärts einer Abgasturbine des Abgasturboladers (3) und über eine Bypassleitung (9) stromabwärts der Abgasturbine strömungstechnisch an den Abgasturbolader (3) angeschlossen ist, wobei die Bypassleitung (9) über eine Einlassöffnung von dem Abgaskrümmer (4) abzweigt und über eine Abgasaustrittsöffnung (20) in einen Abgasauslass (17) des Abgasturboladers (3) einmündet, und wobei in der Bypassleitung (9) ein Stellelement (11) eines Stellventils (10) zum Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnittsflächen der Bypassleitung (9) strömungstechnisch näher an der Einlassöffnung als an der Abgasaustrittsöffnung (20) angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Abgasaustrittsöffnung (20) aus mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen (21) zusammensetzt, die ringförmig in einem Gehäuse (5) des Abgasturboladers (3) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer und einem Abgasturbolader, wobei der Abgaskrümmer über eine Hauptleitung stromaufwärts einer Abgasturbine des Abgasturboladers und über eine Bypassleitung stromabwärts der Abgasturbine strömungstechnisch an den Abgasturbolader angeschlossen ist, wobei die Bypassleitung über eine Einlassöffnung von dem Abgaskrümmer abzweigt und über eine Abgasaustrittsöffnung in einen Abgasauslass des Abgasturboladers einmündet, und wobei in der Bypassleitung ein Stellelement eines Stellventils zum Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnittsflächen der Bypassleitung strömungstechnisch näher an der Einlassöffnung als an der Abgasaustrittsöffnung angeordnet ist.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2004 001 371 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, wobei die Brennkraftmaschine eine Ansaugleitung mit eingangsseitigem Ansaugverdichter aufweist, und mit einer der Abgasrückführung angehörenden Abgasleitung, die mittels einer Einmündung mit der Ansaugleitung verbunden ist. Es ist ein in Reihe zum Ansaugverdichter und stromaufwärts der Einmündung liegender Zusatzverdichter vorgesehen, dessen Funktion für einen Expanderbetrieb umkehrbar ist. Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Druckschrift US 8,499,557 B2 bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Brennkraftmaschinen Vorteile aufweist, insbesondere eine strömungstechnisch bessere Anbindung des Abgasturboladers an den Abgaskrümmer realisiert, bevorzugt bei geringerem Platzbedarf.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass sich die Abgasaustrittsöffnung aus mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen zusammensetzt, die ringförmig in einem Gehäuse des Abgasturboladers angeordnet sind.
Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und dient in diesem Fall bevorzugt dem Antreiben des Kraftfahrzeugs, also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Brennkraftmaschine verfügt über ein Motorgehäuse, welches beispielsweise ein Zylinderkurbelgehäuse und einen Zylinderkopf aufweist, wobei das Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderkopf gemeinsam wenigstens einen Zylinder der Brennkraftmaschine zusammen mit einem in dem Zylinderkurbelgehäuse verlagerbar angeordneten Kolben begrenzen. In dem Zylinderkopf sind wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil für den Zylinder angeordnet. Weist die Brennkraftmaschine mehrere Zylinder auf, so ist jedem der Zylinder wenigstens ein solches Einlassventil und wenigstens ein solches Auslassventil zugeordnet.
Über das Einlassventil kann ein Frischgaskanal und über das Auslassventil ein Abgaskanal mit dem Zylinder strömungstechnisch verbunden werden. Das bedeutet, dass bei einer ersten Schaltstellung des jeweiligen Ventils die Strömungsverbindung unterbrochen und bei einer zweiten Schaltstellung hergestellt ist. Der Abgaskanal ist einerseits an den Zylinder beziehungsweise das Auslassventil und andererseits an den Abgaskrümmer angeschlossen. Der Abgaskrümmer dient dem Abführen des Abgases der Brennkraftmaschine und - falls die Brennkraftmaschine die mehreren Zylinder aufweist - dem Zusammenfassen des Abgases der mehreren Zylinder. Liegen mehrere Zylinder vor, so ist jeder der Zylinder jeweils über ein Auslassventil und einen Abgaskanal an den Abgaskrümmer strömungstechnisch angeschlossen. In dem Abgaskrümmer wird das Abgas der mehreren Zylinder zusammengeführt und erst nachfolgend gemeinsam aus der Brennkraftmaschine abgeführt.
Weiterhin verfügt die Brennkraftmaschine über den Abgasturbolader, welcher der Steigerung einer Nennleistung der Brennkraftmaschine und/oder einer Steigerung der Effizienz der Brennkraftmaschine dient. Der Abgasturbolader verfügt über eine Abgasturbine und einen Verdichter. Der Abgasturbine ist Abgas der Brennkraftmaschine zuführbar. Mittels der Abgasturbine kann in dem Abgas enthaltene Strömungsenergie und/oder Enthalpie in Bewegungsenergie umgewandelt werden, welche wiederum dem Antreiben des Verdichters dient. Mithilfe des Verdichters wird Frischgas verdichtet und anschließend das verdichtete Frischgas der Brennkraftmaschine zugeführt, nämlich über den Frischgaskanal und das Einlassventil.
Der Abgasturbolader verfügt über das Gehäuse, in welchem zumindest die Abgasturbine, bevorzugt jedoch zusätzlich der Verdichter, angeordnet ist. Um eine kompakte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass der Abgasturbolader unmittelbar an dem Motorgehäuse, insbesondere an dem Zylinderkopf, anliegt und an diesem befestigt ist. Der Abgaskrümmer kann in dem Zylinderkopf integriert ausgestaltet sein. Das bedeutet, dass das in den Zylindern anfallende Abgas innerhalb des Zylinderkopfs zusammengeführt wird. Erst das zusammengeführte Abgas wird anschließend aus dem Zylinderkopf herausgeführt. Bevorzugt weist entsprechend der Zylinderkopf eine Abgasaustrittsöffnung auf. Der Abgaskrümmer ist nun einerseits an den Abgaskanal beziehungsweise die Abgaskanäle und andererseits an die Abgasaustrittsöffnung angeschlossen, wobei die Abgasaustrittsöffnung einen Abgasanschluss des Zylinderkopfs darstellt oder einen solchen mit ausbildet. Selbstverständlich kann es alternativ jedoch auch vorgesehen sein, dass der Abgaskrümmer außerhalb des Zylinderkopfs angeordnet ist.
Es wurde bereits erläutert, dass der Abgasturbolader über die Abgasturbine verfügt, die strömungstechnisch an den Abgaskrümmer angeschlossen ist, beispielsweise über den Abgasanschluss des Zylinderkopfs. Hierzu ist die Hauptleitung vorgesehen, die einerseits von dem Abgaskrümmer abzweigt und andererseits strömungstechnisch an die Abgasturbine des Abgasturboladers angeschlossen ist. Die Hauptleitung ist derart an die Abgasturbine angeschlossen, dass das dem Abgasturbolader durch die Hauptleitung zugeführte Abgas ein Turbinenrad der Abgasturbine durchströmt beziehungsweise überströmt. Zu diesem Zweck ist die Hauptleitung in Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromaufwärts des Turbinenrads an den Abgasturbolader angeschlossen.
In Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kann es vorteilhaft sein, das von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas nicht der Abgasturbine zuzuführen, sondern vielmehr um diese herum. Hierzu ist die Bypassleitung vorgesehen. Dieser mündet bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases gesehen stromabwärts des Turbinenrads beziehungsweise der Abgasturbine in einen von der Abgasturbine kommenden Abgasauslass ein. Die Bypassleitung weist einerseits die Einlassöffnung und andererseits die Abgasaustrittsöffnung auf. Über die Einlassöffnung mündet die Bypassleitung in den Abgaskrümmer ein beziehungsweise zweigt von diesem ab. Über die Abgasaustrittsöffnung hingegen mündet die Bypassleitung in den Abgasauslass des Abgasturboladers ein, nämlich stromabwärts des Turbinenrads.
In der Bypassleitung ist das Stellelement des Stellventils angeordnet. Das Stellventil dient dem Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnittsflächen der Bypassleitung. Mithilfe des Stellventils kann also eingestellt werden, welcher Anteil des von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases die Abgasturbine durchströmt beziehungsweise durch die Bypassleitung um die Abgasturbine beziehungsweise das Turbinenrad herumgeführt wird.
Mithilfe des Stellventils können unterschiedliche Durchströmungsquerschnittsflächen eingestellt werden, zumindest eine erste Durchströmungsquerschnittsfläche und eine zweite Durchströmungsquerschnittsfläche. Die beiden Durchströmungsquerschnittsflächen sind voneinander verschieden. Beispielsweise ist die erste Durchströmungsquerschnittsfläche gleich Null, wohingegen die zweite Durchströmungsquerschnittsfläche einer maximalen Durchströmungsquerschnittsfläche der Bypassleitung entspricht.
Ist die erste Durchströmungsquerschnittsfläche eingestellt, so ist die Bypassleitung vollständig versperrt, sodass das von der Brennkraftmaschine erzeugte Abgas vollständig durch die Abgasturbine geführt wird. Bei eingestellter zweiter Durchströmungsquerschnittsfläche hingegen ist die Bypassleitung vollständig freigegeben, sodass zumindest ein Teil des Abgases, vorzugsweise ein Großteil des Abgases oder sogar das gesamte Abgas, durch die Bypassleitung um die Abgasturbine herumgeführt wird.
Zum Einstellen der unterschiedlichen Durchströmungsquerschnittsflächen verfügt das Stellventil über das Stellelement, welches in unterschiedlichen Schaltstellungen anordenbar ist, wobei bei Vorliegen einer ersten Schaltstellung des Stellelements die erste Durchströmungsquerschnittsfläche und bei Vorliegen einer zweiten Schaltstellung die zweite Durchströmungsquerschnittsfläche der Bypassleitung eingestellt ist.
Üblicherweise sitzt das Stellelement unmittelbar an der Abgasaustrittsöffnung der Bypassleitung. Dies hat jedoch zur Folge, dass zum einen der Abgasauslass des Abgasturboladers hinreichend groß ausgebildet sein muss, um das Stellelement aufzunehmen. Zum anderen treten aufgrund des Stellelements in dem Abgasauslass Verwirbelung auf, die zu unterwünschten Strömungsverlusten führen. Aus diesem Grund soll nun das Stellelement von der Abgasaustrittsöffnung wegverlagert sein und hierzu strömungstechnisch näher an der Einlassöffnung als an der Abgasaustrittsöffnung angeordnet sein.
Hierzu entspricht der Abstand zwischen der Einlassöffnung und dem Stellventil entlang der Bypassleitung bezogen auf eine strömungstechnische Gesamtlänge der Bypassleitung von der Einlassöffnung bis hin zu der Abgasaustrittsöffnung höchstens 50 %, höchstens 40 %, höchstens 30 %, höchstens 25 %, höchstens 20 %, höchstens 15 % oder höchstens 10 %. Bevorzugt sind jedoch noch geringere Abstände zwischen der Einlassöffnung und dem Stellelement von unter 10 %, beispielsweise von höchstens 5%.
Durch die Anordnung des Stellelements außerhalb des Abgasauslasses in der Bypassleitung kann ein Durchströmungsquerschnitt des Abgasauslasses verringert werden, sodass der Abgasturbolader einen geringeren Bauraumbedarf aufweist.
Um zusätzlich zu vermeiden, dass das durch die Abgasaustrittsöffnung der Bypassleitung in den Abgasauslass eintretende Abgas unerwünschte Verwirbelungen und damit Strömungsverluste bewirkt, setzt sich die Abgasaustrittsöffnung aus mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen zusammen. Das bedeutet, dass die Abgasaustrittsöffnung nicht lediglich einen einzigen zusammenhängenden Durchströmungsquerschnitt aufweist, sondern mehrere voneinander separate Durchströmungsquerschnitte, die beabstandet voneinander angeordnet sind. Die Abgasaustrittsteilöffnungen, aus welchen sich die Abgasaustrittsöffnung zusammensetzt, sind ringförmig in dem Gehäuse des Abgasturboladers angeordnet und ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen kreisförmig angeordnet sind, also entlang eines gedachten Kreises. Der gedachte Kreis schließt vorzugsweise eine Kreisfläche ein, welche senkrecht auf einer Drehachse eines Turbinenrads der Abgasturbine steht. Vorzugsweise weisen zudem die Abgasaustrittsteilöffnungen von der Drehachse denselben Abstand auf.
Die beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine verfügt über eine vorteilhafte Ausführungsform des Abgasturboladers, welche sich zum einen durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet und zum anderen unerwünschte Verwirbelungen vermeidet, sodass ein hoher Wirkungsgrad gegeben ist.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen eine Drehachse eines Turbinenrads der Abgasturbine in Umfangsrichtung um mindestens 180°, mindestens 270°, mindestens 300°, mindestens 330° oder mindestens 245° umgreifen. Die in Umfangsrichtung am weitesten voneinander beabstandeten Abgasaustrittsteilöffnungen schließen hierzu in Umfangsrichtung mindestens einen der genannten Winkel ein. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des aus der Bypassleitung in den Abgasauslass austretenden Abgases erzielt, sodass die Strömungsverluste besonders deutlich reduziert sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen über einen in dem Gehäuse ausgebildeten Ringspalt in den Abgasauslass einmünden. Die Abgasaustrittsteilöffnungen münden insoweit nicht unmittelbar in den Abgasauslass ein, sondern zunächst lediglich in den Ringspalt, welcher wiederum in den Abgasauslass einmündet. Der Ringspalt verbindet insoweit strömungstechnisch die Abgasaustrittsteilöffnungen mit dem Abgasauslass. Der Ringspalt ist einerseits unmittelbar an die Abgasaustrittsteilöffnungen und andererseits unmittelbar an den Abgasauslass strömungstechnisch angeschlossen. Der Ringspalt ist in dem Gehäuse des Abgasturboladers ausgebildet. Der Ringspalt bewirkt eine Homogenisierung des durch die Abgasaustrittsteilöffnungen in ihn austretenden Abgases, sodass das Abgas besonders gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt aus dem Ringspalt in den Abgasauslass eintritt. Entsprechend wird eine weitere Reduzierung der Strömungsverluste erzielt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Ringspalt die Drehachse des Turbinenrads in Umfangsrichtung um mindestens 180°, mindestens 270°, mindestens 300°, mindestens 330°, mindestens 345° oder vollständig umgreift. Der Ringspalt weist eine in Umfangsrichtung durchgehende Erstreckung um mindestens einen der genannten Winkel auf. Es kann vorgesehen sein, dass der Ringspalt die Drehachse in Umfangsrichtung lediglich teilweise umgreift, also sich in Umfangsrichtung von einem Anfang bis zu einem von dem Anfang verschiedenen Ende erstreckt. Besonders bevorzugt umgreift der Ringspalt die Drehachse in Umfangsrichtung jedoch vollständig. Dies bewirkt eine besonders effektive Homogenisierung des aus den Abgasaustrittsteilöffnungen austretenden Abgases.
Eine bevorzugte weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bypassleitung mehrere Bypassteilleitungen aufweist, wobei über jeder der Bypassteilleitungen jeweils wenigstens eine der Abgasaustrittsteilöffnungen strömungstechnisch an die Einlassöffnung angeschlossen ist. Die Bypassleitung teilt sich insoweit stromabwärts der Einlassöffnung in die mehreren Bypassteilleitungen auf, welche strömungstechnisch parallel zueinander verlaufen. Jede der Bypassteilleitungen ist insoweit einerseits an die Einlassöffnung und andererseits an wenigstens eine der Abgasaustrittsteilöffnungen strömungstechnisch angeschlossen. Vorzugsweise sind an jede der Bypassteilleitungen jeweils mehrere Abgasaustrittsteilöffnungen angeschlossen, insbesondere an jede der Bypassteilleitungen dieselbe Anzahl an Abgasaustrittsteilöffnungen. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des Abgases über den Umfang erzielt.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen und/oder der Ringspalt von der Drehachse des Turbinenrads in radialer Richtung einen Abstand aufweisen, der um einen Faktor von höchstens 2, höchstens 1,75 oder höchstens 1,5 größer ist als ein Radius eines Außenumfangs des Turbinenrads. Das bedeutet schlussendlich, dass der gedachte Ring beziehungsweise der gedachte Kreis, entlang welchem die mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen angeordnet sind, einen Durchmesser aufweist, der um höchstens einen der genannten Faktoren größer ist als der Durchmesser des Turbinenrads. Hierdurch wird die besonders kompakte Ausgestaltung des Abgasturboladers realisiert. Unter dem Radius beziehungsweise dem Durchmesser des Außenumfangs des Turbinenrads ist der größte Radius beziehungsweise der größte Durchmesser des Turbinenrads zu verstehen.
Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an einen Abgasauslassquerschnitt des Abgasauslasses ein Abgaseinlassquerschnitt eines Fahrzeugkatalysators strömungstechnisch angeschlossen ist, der an dem Gehäuse des Abgasturboladers unmittelbar befestigt ist. Der Fahrzeugkatalysator greift insoweit unmittelbar an dem Gehäuse des Abgasturboladers an und ist an diesem befestigt, beispielsweise mittels einer Bandschelle, insbesondere einer V-Bandschelle. Bevorzugt weist hierzu der Abgasturbolader einen Auslassflansch und der Fahrzeugkatalysator einen Einlassflansch auf, welche aneinander anliegen und aneinander befestigt sind. Der Abgasauslassquerschnitt liegt in dem Auslassflansch und der Abgaseinlassquerschnitt in dem Einlassflansch vor. Nach der Anordnung des Fahrzeugkatalysators an dem Abgasturbolader liegen der Abgasauslassquerschnitt und der Abgaseinlassquerschnitt vorzugsweise unmittelbar benachbart zueinander vor, insbesondere sind sie parallel zueinander angeordnet. Durch die unmittelbare Anordnung des Fahrzeugkatalysators an dem Abgasturbolader ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung der Brennkraftmaschine.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein in Abgasströmungsrichtung maximaler Durchströmungsquerschnitt des Fahrzeugkatalysators einen größeren Durchmesser aufweist als der Abgasauslassquerschnitt. Unter dem maximalen Durchströmungsquerschnitt des Fahrzeugkatalysators ist derjenige Durchströmungsquerschnitt zu verstehen, welcher in Strömungsrichtung durch den Fahrzeugkatalysator die größte Durchströmungsquerschnittsfläche aufweist, welche von dem Abgas eingenommen wird. Beispielsweise liegt der maximale Durchströmungsquerschnitt unmittelbar vor oder unmittelbar nach einem Filterkörper des Fahrzeugkatalysators vor. Der maximale Durchströmungsquerschnitt soll nun größer sein beziehungsweise einen größeren Durchmesser aufweisen als der Abgasauslassquerschnitt. Das bedeutet, dass stromabwärts des Abgasauslassquerschnitts eine Aufweitung des Durchströmungsquerschnitts erfolgt, also nicht mehr in dem Abgasturbolader, sondern erst in dem Fahrzeugkatalysator. Hierdurch wird eine kompakte Ausgestaltung des Abgasturboladers erzielt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert ist. Hierauf wurde vorstehend bereits hingewiesen. Durch den Verzicht auf einen separaten Abgaskrümmer außerhalb des Zylinderkopfs wird wiederum der von der Brennkraftmaschine benötigte Bauraum verringert.
Schließlich kann im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bypassleitung zumindest bereichsweise durch den Zylinderkopf verläuft und das Stellelement in einem durch den Zylinderkopf verlaufenden Bereich der Bypassleitung angeordnet ist. Um Druckverluste des Abgases weitestgehend zu vermeiden, soll die Bypassleitung zumindest bereichsweise durch den Zylinderkopf verlaufen. Auch das Stellventil oder zumindest sein Stellelement soll in dem Zylinderkopf vorliegen. Eine derartige Ausgestaltung der Bypassleitung ermöglicht einen vergleichsweise großen Durchströmungsquerschnitt, sodass unnötige Strömungsverluste beziehungsweise eine unnötige Drosselung vermieden wird. Insgesamt bietet die zumindest teilweise Anordnung der Bypassleitung in dem Zylinderkopf den Vorteil eines vergleichsweise großen Durchströmungsquerschnitts, sodass bei entsprechend eingestellter Durchströmungsquerschnittsfläche das Abgas die Bypassleitung mit lediglich geringen Strömungsverlusten durchströmen kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Stellelement ein Tellerventilelement ist. Das Stellventil ist als Tellerventil ausgestaltet, sodass entsprechend das Stellelement als Tellerventilelement vorliegt. Das Tellerventil beziehungsweise das Tellerventilelement ermöglicht das stetige Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnitte und stellt zudem dauerhaft eine hohe Dichtigkeit sicher, weil ein Nachführen des Tellerventilelements in Richtung eines Ventilsitzes für das Tellerventilelement jederzeit möglich ist. Auch eine von dem Tellerventil verschiedene Ausgestaltung des Stellelements kann selbstverständlich realisiert sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Stellelement mit einem von dem Zylinderkopf ausgebildeten Ventilsitz zum Einstellen der unterschiedlichen Durchströmungsquerschnitte zusammenwirkt. Das Stellventil verfügt als relevante Elemente über das Stellelement und den Ventilsitz. Das Stellelement wirkt mit dem Ventilsitz zum Einstellen der unterschiedlichen Durchströmungsquerschnittsflächen zusammen. Im Falle des Tellerventilelements liegen beispielsweise die unterschiedlichen Durchströmungsquerschnittsflächen bei unterschiedlichen Abständen des Tellerventilelements zu dem Ventilsitz vor. Der Ventilsitz ist von dem Zylinderkopf ausgebildet oder zumindest ist er unmittelbar an dem Zylinderkopf befestigt. Beispielsweise liegt der Ventilsitz materialeinheitlich mit dem Zylinderkopf vor. Alternativ kann der Ventilsitz auch als Einsetzelement vorliegen, welches separat von dem Zylinderkopf hergestellt und nachfolgend in diesen eingesetzt wird. In jedem Fall liegt jedoch der Ventilsitz in dem Zylinderkopf vor.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abgaskrümmer eine erste Abgasauslassöffnung und eine zweite Abgasauslassöffnung aufweist, wobei die erste Abgasauslassöffnung stromaufwärts der Abgasturbine und die zweite Abgasauslassöffnung stromabwärts der Abgasturbine an den Abgasturbolader strömungstechnisch angeschlossen ist. Beide Abgasauslassöffnungen liegen auf der dem Zylinder beziehungsweise den Zylindern abgewandten Seite des Abgaskrümmers vor. Durch die Abgasauslassöffnungen tritt insoweit insgesamt das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine aus, insbesondere das zusammengefasste Abgas mehrerer Zylinder der Brennkraftmaschine.
Beide Abgasauslassöffnungen sind an beziehungsweise in dem Abgaskrümmer ausgestaltet, sodass der Abgaskrümmer vollständig in dem Zylinderkopf integriert ist. Die erste Auslassöffnung ist stromaufwärts der Abgasturbine und die zweite Abgasauslassöffnung stromabwärts der Abgasturbine an den Abgasturbolader strömungstechnisch angeschlossen. Das durch die erste Abgasauslassöffnung aus dem Abgaskrümmer austretende Abgas durchströmt insoweit die Abgasturbine, während das durch die zweite Abgasauslassöffnung austretende Abgas um die Abgasturbine herumgeführt ist.
Eine solche Ausgestaltung hat zum einen den bereits erwähnten Vorteil der vollständigen Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf, und zum anderen kann die Strömungsverbindung zwischen dem Abgaskrümmer und dem Abgasturbolader auf einfache Art und Weise hergestellt werden, nämlich durch Anordnen des Abgasturboladers an dem Zylinderkopf. Die Durchströmungsquerschnittsfläche der ersten Abgasauslassöffnung ist vorzugsweise größer als die Durchströmungsquerschnittsfläche der zweiten Abgasauslassöffnung. Beispielsweise beträgt die Durchströmungsquerschnittsfläche der zweiten Abgasauslassöffnung höchstens 75 %, höchstens 50 % oder höchstens 25 % der Durchströmungsquerschnittsfläche der ersten Abgasauslassöffnung.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Abgasauslassöffnung und die zweite Abgasauslassöffnung eine Anlagefläche des Zylinderkopfs durchgreifen, an der das Gehäuse des Abgasturboladers flächig anliegt. Die Anlagefläche des Zylinderkopfs dient dem Abstützen des Gehäuses des Abgasturboladers. Bei der Montage des Abgasturboladers an dem Zylinderkopf wird das Gehäuse an die Anlagefläche angelegt und der Abgasturbolader an dem Zylinderkopf befestigt. Die beiden Abgasauslassöffnungen, also die erste Abgasauslassöffnung und die zweite Abgasauslassöffnung, durchgreifen nun die Anlagefläche, sodass nach dem Befestigen des Abgasturboladers an dem Zylinderkopf die Strömungsverbindung zwischen den beiden Abgasauslassöffnungen und dem Abgasturbolader hergestellt ist.
Die Anlagefläche, in welcher die beiden Abgasauslassöffnungen vorliegen, ist vollständig und durchgehend plan. Die plane Ausgestaltung der Anlagefläche bedeutet, dass die Anlagefläche vollständig in einer gedachten Ebene liegt. Das Gehäuse des Abgasturboladers weist eine entsprechende Anlagegegenfläche auf, welche vorzugsweise ebenfalls plan ist. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass an oder in der Anlagefläche und/oder der Anlagegegenfläche wenigstens eine Dichtung vorliegt. Beispielsweise liegt das Gehäuse des Abgasturboladers über eine Flachdichtung an dem Zylinderkopf an, wobei die Flachdichtung einerseits an der Anlagefläche und andererseits an der Anlagegegenfläche plan anliegt. Bevorzugt sind die Abgasauslassöffnungen jeweils von einem Rand der planen Anlagefläche beabstandet angeordnet, grenzen also nicht unmittelbar an den Rand an.
Zum Herstellen der Strömungsverbindung zwischen den beiden Abgasauslassöffnungen und dem Abgasturbolader weist der Abgasturbolader beziehungsweise sein Gehäuse also bevorzugt Abgaseinlassöffnungen auf, welche mit den Abgasauslassöffnungen korrespondieren, insbesondere mit diesen fluchten. Eine erste Abgaseinlassöffnung des Abgasturboladers ist der ersten Abgasauslassöffnung und eine zweite Abgaseinlassöffnung der zweiten Abgasauslassöffnung zugeordnet. Die erste Abgaseinlassöffnung liegt stromaufwärts der Abgasturbine und die zweite Abgaseinlassöffnung stromabwärts der Abgasturbine vor.
Bevorzugt fluchtet jede der Abgaseinlassöffnungen mit der entsprechenden Abgasauslassöffnung. Hierzu weist die erste Abgaseinlassöffnung dieselben Abmessungen auf wie die erste Abgasauslassöffnung und die zweite Abgaseinlassöffnung dieselben Abmessungen wie die zweite Abgasauslassöffnung. Zudem liegt nach dem Anordnen des Abgasturboladers an dem Zylinderkopf die erste Abgaseinlassöffnung in vollständiger Überdeckung mit der ersten Abgasauslassöffnung und die zweite Abgaseinlassöffnung in vollständiger Überdeckung mit der zweiten Abgasauslassöffnung vor. Durch einen derartigen strömungstechnischen Anschluss des Abgasturboladers an den Abgaskrümmer ist ein besonders geringer Strömungswiderstand und mithin ein geringer Druckverlust realisiert.
Eine bevorzugte weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bypassleitung in dem Zylinderkopf von einer Abgasleitung des Abgaskrümmers abzweigt, wobei die erste Abgasauslassöffnung unmittelbar an die Abgasleitung und die zweite Abgasauslassöffnung über das Stellventil und die Bypassleitung an die Abgasleitung angeschlossen ist. Über die Abgasleitung des Abgaskrümmers wird das Abgas der Brennkraftmaschine, insbesondere das zusammengeführte Abgas der mehreren Zylinder, in Richtung des Abgasturboladers abgeführt. Die Bypassleitung zweigt von dieser Abgasleitung ab. Die erste Abgasauslassöffnung ist unmittelbar an die Abgasleitung angeschlossen, wohingegen die zweite Abgasauslassöffnung über das Stellventil und die Bypassleitung an die Abgasleitung angeschlossen ist. Entsprechend ist über den Abgaskrümmer hinweg bis zur ersten Abgasauslassöffnung ein sehr geringer Strömungswiderstand realisiert.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Stellelement zum Einstellen der unterschiedlichen Durchströmungsquerschnitte in einer Verlagerungsrichtung verlagerbar ist, die vorzugsweise senkrecht auf einer Längsmittelachse der Abgasleitung steht. Die Bypassleitung mündet unter einem bestimmten Winkel in die Abgasleitung ein, vorzugsweise bezüglich der Längsmittelachse senkrecht. Beispielsweise beträgt der Winkel höchstens 90°, höchstens 75°, höchstens 60° oder höchstens 45°. Auch andere Winkel sind selbstverständlich realisierbar. Weiter bevorzugt durchläuft die Längsmittelachse der Abgasleitung den Mittelpunkt der ersten Abgasauslassöffnung, sodass durch die Abgasleitung eine umlenkungsfreie Führung des Abgases bis hin zu der ersten Abgasauslassöffnung umgesetzt ist. Das aus der Abgasleitung in die Bypassleitung überströmende Abgas wird hingegen umgelenkt, sodass hier ein gewisser Druckverlust auftritt. Dieser ist jedoch aufgrund der Umgehung der Abgasturbine nicht relevant.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennkraftmaschine, nämlich eines Zylinderkopfs,
2 eine schematische Teilschnittdarstellung der Brennkraftmaschine, sowie
3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Abgasturbolader der Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, genauer gesagt eines Teils der Brennkraftmaschine 1, von welcher ein Zylinderkopf 2 und ein lediglich angedeuteter Abgasturbolader 3 erkennbar sind. Der Abgasturbolader 3 ist strömungstechnisch an einen Abgaskrümmer 4 angeschlossen, der integriert in dem Zylinderkopf 2 ausgebildet ist. Der Abgasturbolader 3 verfügt über ein hier lediglich angedeutetes Gehäuse 5, das an dem Zylinderkopf 2 anliegt und an diesem befestigt ist. Der Abgasturbolader 3 weist eine Abgasturbine auf, mittels welcher Strömungsenergie und/oder Enthalpie von Abgas in mechanische Energie umsetzbar ist, mit der wiederum ein Verdichter des Abgasturboladers 3 antreibbar ist.
Der Abgaskrümmer 4 weist eine erste Abgasauslassöffnung 6 und eine zweite Abgasauslassöffnung 7 auf, welche beide in beziehungsweise an dem Zylinderkopf 2 ausgebildet sind. Beide Abgasauslassöffnungen 6 und 7 sind an den Abgasturbolader 3 angeschlossen. Aus der ersten Abgasauslassöffnung 6 austretendes Abgas wird der Abgasturbine des Abgasturboladers 3 zugeführt, wohingegen aus der zweiten Abgasauslassöffnung 7 austretendes Abgas stromabwärts der Abgasturbine in eine Abgasleitung einmündet und in Richtung einer Außenumgebung abgeführt wird.
Die erste Abgasauslassöffnung 6 ist unmittelbar an eine Abgasleitung 8 des Abgaskrümmers 4 angeschlossen. Die zweite Abgasauslassöffnung 7 ist über eine Bypassleitung 9 und ein Stellventil 10, von welchem hier ein Stellelement 11 erkennbar ist, an die Abgasleitung 8 angeschlossen. Es ist erkennbar, dass sowohl die Abgasleitung 8 als auch die Bypassleitung 9 bis hin zu der jeweiligen Abgasauslassöffnung 6 beziehungsweise 7 durch den Zylinderkopf 2 verlaufen. Auch das Stellventil 10, insbesondere sein Stellelement 11, liegt in dem Zylinderkopf 2 vor. Dies ermöglicht eine Entdrosselung einer Abgasstrecke der Brennkraftmaschine 1, weil in dem Zylinderkopf 2 die Bypassleitung 9 mit einem vergleichsweise großen Durchströmungsquerschnitt ausgestaltet werden kann.
Die 2 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung der Brennkraftmaschine 1. Es ist erkennbar, dass zusätzlich zu dem Stellelement 11 auch ein Ventilsitz 12 des Stellventils 10 in dem Zylinderkopf 2 angeordnet ist. Beispielsweise liegt der Ventilsitz 12 in Form eines Ringeinsatzes vor, welcher in eine entsprechende Aufnahme des Zylinderkopfs 2 eingesetzt ist. Das Stellventil 10 ist als Tellerventil ausgestaltet, sodass entsprechend das Stellelement 11 in Form eines Tellerventilelements vorliegt.
Das Stellventil 10 dient zum Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnittsflächen der Bypassleitung 9. Bei der hier angedeuteten ersten Schaltstellung des Stellventils 10 ist die Durchströmungsquerschnittsfläche gleich Null, die Bypassleitung 9 ist also vollständig verschlossen. Die Bypassleitung 9, insbesondere der Ventilsitz 12, kann zumindest bereichsweise von einem Kühlkanal 13 umgriffen sein. Dies ermöglicht eine Kühlung des Stellventils 10, insbesondere des Stellelements 11 und des Ventilsitzes 12, sodass eine lange Lebensdauer gewährleistet werden kann.
Es wird deutlich, dass die erste Abgasauslassöffnung 6 und die zweite Abgasauslassöffnung 7 in einer Anlagefläche 14 ausgebildet sind beziehungsweise diese durchgreifen. Die Abgasauslassöffnungen 6 und 7 sind beide randgeschlossen in der Anlagefläche 14 ausgebildet. Die Anlagefläche 14 ist bevorzugt eben ausgebildet, liegt also vollständig in einer gedachten Ebene. Die Anlagefläche 14 dient als Stützfläche für den Abgasturbolader 3 beziehungsweise dessen Gehäuse 5. Der Abgaskrümmer 4 weist entsprechend eine Anlagegegenfläche auf, mit welcher er an der Anlagefläche 14 nach seiner Montage an dem Zylinderkopf 2 anliegt.
Die 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch den Abgasturbolader 3, nämlich bezüglich einer Drehachse 15 eines Turbinenrads 16 der Abgasturbine des Abgasturboladers 3. Stromabwärts des Turbinenrads 16 ist in dem Gehäuse 5 des Abgasturboladers 3 ein Abgasauslass 17 mit einem Abgasauslassquerschnitt 18 ausgebildet. Das von dem Abgaskrümmer 4 kommende Abgas durchströmt beziehungsweise überströmt zumindest zeitweise und zumindest teilweise das Turbinenrad 16 und gelangt nachfolgend in den Abgasauslass 17. Aus diesem tritt es dann durch den Abgasauslassquerschnitt 18 aus dem Abgasturbolader 3 aus, insbesondere in Richtung eines hier nicht dargestellten Fahrzeugkatalysators. Zum Anschluss des Fahrzeugkatalysators an den Abgasturbolader 3 weist das Gehäuse 5 einen Auslassflansch 19 auf, der den Abgasauslassquerschnitt 18 umgreift. Vorzugsweise weist der Abgasauslassquerschnitt 18 einen Durchmesser auf, welcher kleiner ist als der Durchmesser eines maximalen Durchströmungsquerschnitts des Fahrzeugkatalysators.
Die Bypassleitung 9 zweigt an einer Einlassöffnung von dem Abgaskrümmer 4 ab. Über eine Abgasaustrittsöffnung 20 mündet sie auf ihrem gegenüberliegenden Ende in den Abgasauslass 17 ein. Die Abgasaustrittsöffnung 20 setzt sich aus mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen 21 zusammen, die ringförmig in dem Gehäuse 5 des Abgasturboladers 3 angeordnet sind. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Abgasaustrittsteilöffnungen 21 ausgebildet, welche gleichmäßig über den Umfang hinweg verteilt vorliegen. Die Abgasaustrittsteilöffnungen 21 münden in einen Ringspalt 22 ein, der ebenfalls in dem Gehäuse 5 ausgebildet ist, vorzugsweise in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse 15 durchgehend. Einerseits ist der Ringspalt 22 also strömungstechnisch an die Abgasaustrittsteilöffnung 21 und andererseits an den Abgasauslass 17 angeschlossen. Das aus den Abgasaustrittsteilöffnungen 21 austretende Abgas strömt also durch den Ringspalt 22 in den Abgasauslass 17 ein.
Es ist erkennbar, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen 21 von der Drehachse des Turbinenrads 16 in radialer Richtung einen Abstand aufweisen, der lediglich etwas größer ist als ein Radius des Turbinenrads 16, insbesondere der größte Radius des Turbinenrads 16. Beispielsweise ist der Abstand der Abgasaustrittsteilöffnungen 21 von der Drehachse 15 höchstens doppelt so groß wie der Radius des Turbinenrads 16. Hierdurch wird eine äußerst kompakte Ausgestaltung des Gehäuses 5 und gleichzeitig ein geringerer Druckverlust beim Einströmen des Abgases erzielt.
Die hier beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 ermöglich zum einen vergleichsweise große Durchströmungsquerschnitte der Bypassleitung 9 und zum anderen eine einfache und rasche Herstellung der Strömungsverbindung zwischen dem Abgaskrümmer 4 und dem Abgasturbolader 3. Beides wird durch die zumindest teilweise Integration der Bypassleitung 9 und des Stellelements 11 in den Zylinderkopf 2 realisiert. Zudem wird durch die Verwendung der Abgasaustrittsteilöffnungen 21 und des (optionalen) Ringspalts 22 ein geringer Strömungswiderstand erzielt, weil Verwirbelungen bei dem Einströmen des Abgases aus der Bypassleitung 9 in den Abgasauslass 17 weitgehend oder sogar vollständig vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinderkopf
3: Abgasturbolader
4: Abgaskrümmer
5: Gehäuse
6: Abgasauslassöffnung
7: Abgasauslassöffnung
8: Abgasleitung
9: Bypassleitung
10: Stellventil
11: Stellelement
12: Ventilsitz
13: Kühlkanal
14: Anlagefläche
15: Drehachse
16: Turbinenrad
17: Abgasauslass
18: Abgasauslassquerschnitt
19: Auslassflansch
20: Abgasaustrittsöffnung
21: Abgasaustrittsteilöffnung
22: Ringspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004001371 A1 [0002]
US 8499557 B2 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgaskrümmer (4) und einem Abgasturbolader (3), wobei der Abgaskrümmer (4) über eine Hauptleitung stromaufwärts einer Abgasturbine des Abgasturboladers (3) und über eine Bypassleitung (9) stromabwärts der Abgasturbine strömungstechnisch an den Abgasturbolader (3) angeschlossen ist, wobei die Bypassleitung (9) über eine Einlassöffnung von dem Abgaskrümmer (4) abzweigt und über eine Abgasaustrittsöffnung (20) in einen Abgasauslass (17) des Abgasturboladers (3) einmündet, und wobei in der Bypassleitung (9) ein Stellelement (11) eines Stellventils (10) zum Einstellen unterschiedlicher Durchströmungsquerschnittsflächen der Bypassleitung (9) strömungstechnisch näher an der Einlassöffnung als an der Abgasaustrittsöffnung (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abgasaustrittsöffnung (20) aus mehreren Abgasaustrittsteilöffnungen (21) zusammensetzt, die ringförmig in einem Gehäuse (5) des Abgasturboladers (3) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen (21) eine Drehachse (15) eines Turbinenrads (16) der Abgasturbine in Umfangsrichtung um mindestens 180°, mindestens 270°, mindestens 300°, mindestens 330° oder mindestens 345° umgreifen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen (21) über einen in dem Gehäuse (5) ausgebildeten Ringspalt (22) in den Abgasauslass (17) einmünden.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (22) die Drehachse (15) des Turbinenrads (16) in Umfangsrichtung um mindestens 180°, mindestens 270°, mindestens 300°, mindestens 230°, mindestens 345° oder vollständig umgreift.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) mehrere Bypassteilleitungen aufweist, wobei über jede der Bypassteilleitungen jeweils wenigstens eine der Abgasaustrittsteilöffnungen (21) strömungstechnisch an die Einlassöffnung angeschlossen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasaustrittsteilöffnungen (21) und/oder der Ringspalt (22) von der Drehachse (15) des Turbinenrads (16) in radialer Richtung einen Abstand aufweisen, der um einen Faktor von höchstens 2, höchstens 1,75 oder höchstens 1,5 größer ist als ein Radius eines Außenumfangs des Turbinenrads (16).
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Abgasauslassquerschnitt (18) des Abgasauslasses (17) ein Abgaseinlassquerschnitt eines Fahrzeugkatalysators strömungstechnisch angeschlossen ist, der an dem Gehäuse (5) des Abgasturboladers (3) unmittelbar befestigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Abgasströmungsrichtung maximaler Durchströmungsquerschnitt des Fahrzeugkatalysators einen grö-ßeren Durchmesser aufweist als der Abgasauslassquerschnitt (18).
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (4) in den Zylinderkopf (2) integriert ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) zumindest bereichsweise durch den Zylinderkopf (2) verläuft und das Stellelement (11) in einem durch den Zylinderkopf (2) verlaufenden Bereich der Bypassleitung (9) angeordnet ist.