DE-102014200916-B4 - Brennkraftmaschine mit zweiflutiger Axialturbine und gruppierten Zylindern

Abstract

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und - mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (1) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und - die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (1) eines Abgasturboladers, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes und mit Laufschaufeln (3a) ausgestattetes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5, 6) der Axialturbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5, 6) - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (3) mittels mindestens einer Gehäusewandung (2a, 2b) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, dadurch gekennzeichnet, dass - die zweiflutige Turbine (1) eine zweiflutige Axialturbine (1) ist, wobei die beiden Fluten (5, 6) nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad (3) zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig umschließen, und - das Turbinengehäuse (2) modular aufgebaut ist und einen auf die Welle (4) aufschiebbaren Gehäusering (2c) umfasst, der stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (3) angeordnet ist und zwecks Trennung der beiden Fluten (5, 6) mindestens eine Gehäusewandung (2b) aufweist.

Inventors

• Franz-Arnd Sommerhoff
• Jörg Kemmerling
• Helmut Kindl
• Andreas Kuske
• Vanco Smiljanovski
• Jens Dunstheimer
• Ludwig Stump

Assignees

• FORD GLOBAL TECHNOLOGIES, LLC

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20140120

Claims (14)

1. Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, - mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, - die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und - mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (1) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und - die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (1) eines Abgasturboladers, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes und mit Laufschaufeln (3a) ausgestattetes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten (5, 6) der Axialturbine (1) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5, 6) - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (3) mittels mindestens einer Gehäusewandung (2a, 2b) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, dadurch gekennzeichnet , dass - die zweiflutige Turbine (1) eine zweiflutige Axialturbine (1) ist, wobei die beiden Fluten (5, 6) nebeneinander angeordnet sind und das Laufrad (3) zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig umschließen, und - das Turbinengehäuse (2) modular aufgebaut ist und einen auf die Welle (4) aufschiebbaren Gehäusering (2c) umfasst, der stromaufwärts des mindestens einen Laufrades (3) angeordnet ist und zwecks Trennung der beiden Fluten (5, 6) mindestens eine Gehäusewandung (2b) aufweist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der Gehäusering (2c) und das mindestens eine Laufrad (3) im Wesentlichen gleichgroße Durchmesser aufweisen.
3. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine Gehäusewandung (2a, 2b) eine unbewegliche und fest mit dem Turbinengehäuse (2) verbundene Wand ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass - jeder durch zwei benachbarte Laufschaufeln (3a) gebildete Laufradabschnitt (7) eines Laufrades (3) mit einer Trennwand (10) versehen ist, die den jeweiligen Laufradabschnitt (7) in zwei Laufschaufelkanäle (8, 9) aufteilt, wobei jede Trennwand (10) eine Fortsetzung der mindestens einen die beiden Fluten (5, 6) voneinander trennenden Gehäusewandung (2a, 2b) bildet, so dass die dazugehörigen zwei Laufschaufelkanäle (8, 9) Fortsetzungen der zwei Fluten (5, 6) bilden.
5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die zwei Laufschaufelkanäle (8, 9) jedes Laufradabschnitts (7) radial unterschiedlich weit von der Drehachse (4) des mindestens einen Laufrades (3) beabstandet sind.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet , dass jede Trennwand (10) einteilig mit den beiden Laufschaufeln (3a) des dazugehörigen Laufradabschnittes (7) ausgebildet ist, so dass das mindestens eine Laufrad (3) ein monolithisches Bauteil bildet.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet , dass das mindestens eine Laufrad (3) modular aufgebaut ist, wobei jede Trennwand (10) mit den Laufschaufeln (3a) des dazugehörigen Laufradabschnittes (7) verbunden ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen auch stromabwärts des mindestens einen Laufrades (3) zumindest abschnittsweise voneinander getrennt sind.
9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die benachbart zur drehbaren Welle (4) angeordneten Laufschaufelkanäle (8) in eine erste Sammelleitung münden und die radial weiter von der Drehachse (4) beabstandeten Laufschaufelkanäle (9) in eine zweite Sammelleitung münden.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein segmentiertes Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist, das zwei kanalförmige voneinander getrennte Segmente aufweist, wobei die benachbart zur drehbaren Welle (4) angeordneten Laufschaufelkanäle (8) mit einem ersten Segment und die radial weiter von der Drehachse (4) beabstandeten Laufschaufelkanäle (9) mit einem zweiten Segment verbunden sind.
11. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die mindestens eine - zwei benachbarte Fluten (5, 6) trennende - Gehäusewandung (2a, 2b) laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist, welches so nahe wie möglich an das mindestens einen Laufrad (3) heranreicht.
12. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Abgasabführsysteme der zwei Zylindergruppen durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals miteinander verbindbar sind.
13. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.
14. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass benachbart zur drehbaren Welle (4) befindliche Laufschaufelabschnitte (8') und radial weiter von der Drehachse (4) befindliche Laufschaufelabschnitte (9') unterschiedliche Profilierungen aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der- jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,- mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden,- die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und- mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, und- die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine eines Abgasturboladers, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der zwei Fluten der Axialturbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten - in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen - bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels mindestens einer Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen. Eine Brennkraftmaschine der vorstehenden Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der DE 20 2013 103 700 U1 beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt. Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der vorliegend mindestens zwei Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane - in der Regel in Gestalt von Ventilen - und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder und das Füllen der Zylinder mit Frischgemisch bzw. Ladeluft über die Einlassöffnungen. Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet. Auf welche Weise die Abgasleitungen der Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Ausgestaltung des Abgasleitungssystems, hängt im Wesentlichen davon ab, hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die im unteren Drehzahlbereich bzw. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt. Dabei sollen die - insbesondere während des Ladungswechsels - im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden. Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels ein Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert. Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evak