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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem Verbrennungsmotor mit wenigstens vier Zylindern mit jeweils einem ersten und wenigstens einem zweiten Auslassventil. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antriebsanordnung.
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Verschiedene Betriebsverfahren für solche Antriebsanordnungen sind allgemein bekannt. Darüber hinaus sind Verbrennungsmotoren bekannt, bei denen die Gaswechselventile über schaltbare Schlepphebel betätigt werden. Solche Schlepphebel wirken in einem aktivierten Zustand mit einer Nockenwelle zusammen und können so die Gaswechselventile betätigen. In einem deaktivierten Zustand betätigen die Schlepphebel unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle die Gaswechselventile nicht. Die Auslassventile können auch über andere Mechanismen wie beispielsweise Schiebenocken deaktiviert werden.
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Ein mit solchen Schlepphebeln ausgestatteter Verbrennungsmotor kann also zwei Betriebszustände einnehmen. In einem Normalbetrieb sind die Gaswechselventile aktiviert und in einem Deaktivierungsbetrieb deaktiviert. Der Deaktivierungsbetrieb kann z. B. für eine Reduktion eines Motorschleppmoments genutzt werden.
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Wenn beide Auslassventile entweder gemeinsam aktiviert oder gemeinsam deaktiviert sind, kann aber nicht in jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors in möglichst effizienterer Weise die geforderte Leistung bereitgestellt werden. Ebenso kann nicht in jedem Betriebszustand ein optimales Verhältnis von günstigem Kraftstoffverbrauch und umweltschonenden Emissionsverhalten erreicht werden.
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Aus der
DE 10 2016 219 343 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einer Motorlast betrieben wird und mindestens zwei Zylinder mit jeweils einem ersten und einem zweiten Auslassventil umfasst. In einem Volllastmodus werden alle Auslassventile aller Zylinder aktiviert, während in einem Teillastmodus nur die ersten Auslassventile, und nicht die zweiten Auslassventile aller Zylinder aktiviert werden.
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Bei modernen, aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit mehr als drei Zylindern werden normalerweise zündfolgegetrennte Abgaskrümmer eingesetzt, die an eine mehrflutige (Zwillingsstrom- oder Segment-)Turbine eines Abgasturboladers und/oder an mehrere Abgasturbolader angeschlossen werden. Damit kann der Zielkonflikt zwischen langen Auslasssteuerzeiten für guten Ladungswechsel bei hohen Leistungen einerseits und andererseits dem Vermeiden des Rückschiebens von Restgas aus dem als nächsten gezündeten Zylinder bei niedrigen Leistungen, was zu Leistungsverlust und Verbrennungsinstabilitäten führen kann, vermieden. Bei einer Flutentrennung bringen langen Auslasssteuerzeiten auch Ladungswechsel- und damit Verbrauchsvorteile in der Teillast.
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Dafür werden allerdings Nachteile beim Gegendruckaufbau bei hohen Leistungen, in der Thermodynamik der Turbine sowie beim Aufwand und den Kosten der zugehörigen Antriebsanordnung in Kauf genommen.
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Die
DE 196 51 148 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors, vorzugsweise Ottomotors, mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder, einem Turbolader sowie einem nachgeschalteten Abgasreinigungssystem mit Katalysator.
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Die
DE 10 2013 009 227 A1 betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Ventilen eines Hubkolbenverbrennungsmotors mit mehreren Ventilen, von denen jedes einzelne beliebig und unabhängig von den anderen an- und abschaltbar ist, wobei durch definierte Kombinationen an- und abgeschalteter Ventile in jedem Fahrzustand ein Betrieb möglichst im optimalen Wirkungsgradbereich des Verbrennungsmotors erreicht werden soll.
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Davon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Verbesserung des Betriebs der eingangs genannten Verbrennungsmotoren und Antriebsanordnungen zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 12.
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Gemäß einer Ausführung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors einer Antriebsanordnung in Abhängigkeit von einem Lastmodus bereitgestellt. Der Verbrennungsmotor weist wenigstens zwei Zylinder mit jeweils einem ersten und einem zweiten Auslassventil auf.
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Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Aktivieren aller Auslassventile der Zylinder in einem Hochlastmodus, und
- b) Aktivieren des ersten Auslassventils und Deaktivieren des zweiten Auslassventils eines, mehrerer oder aller Zylinder in einem Teillastmodus.
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Unter einem Hochlastmodus ist dabei insbesondere ein Betriebsmodus des Verbrennungsmotors zu verstehen, der angesteuert wird, wenn der unter Verbrennungsmotor unter Volllast oder in einem höheren Teillastbereich betrieben wird. Unter einem Teillastmodus ist dabei insbesondere ein Betriebsmodus des Verbrennungsmotors zu verstehen, der angesteuert wird, wenn der Verbrennungsmotor in einem niedrigeren Teillastbereich oder unter Niedriglast, Nulllast oder ggf. im Schubbetrieb betrieben wird.
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In beiden, insbesondere allen, Lastmodi werden die ersten Auslassventile mit einer ersten Auslasssteuerzeit betrieben, die kürzer ist als eine zweite Auslasssteuerzeit, mit der die zweiten Auslassventile betrieben werden. Insbesondere werden die unterschiedlichen Auslasssteuerzeiten und damit insbesondere auch unterschiedliche Ventilhubverläufe durch unterschiedliche Ausprägungen der Nocken an einer Nockenwelle erreicht.
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Dadurch kann ein Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine auch bei Motoren mit mehr als einer Zylindergruppe eingesetzt werden. Denn wegen der kürzeren Auslasssteuerzeit der ersten Auslassventile - die im Teillastmodus ohne Öffnung der zweiten Auslassventile betrieben werden - unterbleibt im Teillastbetrieb ein unerwünschtes Übersprechen des ausgelassenen Abgases in den nachfolgend zündenden Zylinder auch ohne eine vollständige Flutentrennung bis in die Turbine des Abgasturboladers. Ebenso kann dadurch ein größerer Abgasimpuls auf die Turbine eines Abgasturboladers und dadurch ein gutes Niederlastmoment („low end torque“) erreicht werden. Im Hochlastbetrieb kann hingegen der gute Wirkungsgrad einer Mono-Scroll Turbine verbunden mit einem hohen Leistungspotenzial ausgenutzt werden.
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Die Antriebsanordnung weist einen Verbrennungsmotor auf. Der Verbrennungsmotor weist wenigstens vier, insbesondere fünf oder sechs oder acht, Zylinder auf, wobei insbesondere jeweils zwei Zylinder des Verbrennungsmotors einer Zylindergruppe zugeordnet sind. Jeder Zylinder weist ein erstes und wenigstens ein zweites Auslassventil auf.
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Gemäß einer Ausführung ist der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder mit zwei Zylindergruppen oder ein Sechszylinder mit drei Zylindergruppen. Die Zylindergruppen sind insbesondere derart zugeordnet, dass zeitlich benachbart zündende Zylinder nicht in einer Gruppe sind.
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Zudem weist der Verbrennungsmotor eine Steuereinheit auf, die sich von bekannten Steuereinheiten zumindest dadurch unterscheidet, dass sie dazu eingerichtet ist, den Verbrennungsmotor mit einem Verfahren nach einer Ausführung der Erfindung zu betreiben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Antriebsanordnung bereitgestellt, aufweisend einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführung der Erfindung, der einen Abgaskrümmer zum Abführen der Abgase aufweist, und einen Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine, welche über den Abgaskrümmer zur Abgasführung mit den ersten und zweiten Auslassventilen des Verbrennungsmotors verbunden ist. Eine Mono-Scroll-Turbine hat typischerweise bei gleicher Größe einen besseren Wirkungsgrad und eine höhere thermomechanische Festigkeit als eine Zwillingsstrom- oder Segmentturbine. Zudem ist sie einfacher aufgebaut und daher günstiger.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebsanordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass Turbo-aufgeladenen Vierzylinder mit den bisher bekannten Betriebsstrategien zum Erreichen eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs und umweltfreundlicher Emissionswerte eine flutengetrennte Turbine des Abgasturboladers und damit auch einen flutengetrennten Abgaskrümmer benötigen. Indem die Abgase zeitlich benachbart zündender Zylinder auf diese Weise auf lange Wege geschickt werden, kann ein übersprechen der Abgase in den nächsten zündenden Zylinder vermieden und trotzdem eine lange Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel beibehalten werden.
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Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, den Zielkonflikt zwischen einer langen Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel einerseits und andererseits einer Vermeidung eines Übersprechens von Abgasen in den nächstzündenden Zylinder auf eine andere Art zu lösen.
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Dies ist nachfolgend am Beispiel eines Vierzylinder-Reihenmotors beschrieben. Im Sinne der Erfindung wird - insbesondere unterhalb eines zu ermittelnden Schaltpunktes - in einem Teillastmodus über eine Ventilabschaltung je eines der Auslassventile eines Zylinders - beispielsweise mittels geeignet angesteuerte Auslassschaltschlepphebel - das Ventil mit einer langen Auslasssteuerzeit für einen guten Ladungswechsel deaktiviert. Die Auslassschaltschlepphebel können beispielsweise mittels einer Schaltwelle oder einer anderen geeigneten, an sich bekannten Vorrichtung geschaltet werden.
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So strömt das Abgas nur über das Ventil mit kurzer Öffnungsdauer aus, wodurch ein Rückstrom von Restgas verhindert wird. In einem Hochlastmodus - also insbesondere oberhalb des Schaltpunktes - werden alle Ventile aktiviert und die Vorteile der langen Öffnungsdauer in Verbindung mit dem guten Wirkungsgrad- und Durchsatzverhalten einer Mono-Scroll Turbine genutzt. Ein Umschaltzeitpunkt zwischen Vier- und Acht-Ventilbetrieb wird je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs ermittelt. In die Entscheidung gehen insbesondere mehrere Motorkenngrößen einzeln und/oder gewichtet oder ungewichtet kombiniert ein, die im nächsten Absatz aufgeführt sind.
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Gemäß einer Ausführung wird ein Schaltpunkt hinsichtlich des Lastmodus in Abhängigkeit von einer oder mehreren Motorkenngrößen und/oder Randbedingungen aus dem Betrieb und/oder der Umgebung des Motors bestimmt, insbesondere in Abhängigkeit von einem anliegenden Motormoment und/oder einem Lastwunsch und/oder einer Drehzahl und/oder einem Restgasgehalt und/oder einem Ladedruckbedarf und/oder einem Gegendruck und/oder einer Schwerpunktlage der Verbrennung und/oder einer Wastegate-Stellung und/oder einem Hub der Einlassventile und/oder einer Spreizung der Ein- und Auslassnockenwellen und/oder einer Rate einer externen AGR und/oder einer Position eines variablen Turbinenleitrades. Gemäß einer Ausführung werden als Motorkenngrößen zur Bestimmung des Lastmodus zumindest ein anliegendes Motormoment und eine Drehzahl berücksichtigt. Dadurch kann das Umschalten, je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs erfolgen.
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Der Verbrennungsmotor kann so hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen effizient betrieben werden, da er bei Bedarf im Teillastmodus betrieben werden kann, ohne die genannten Nachteile der bekannten Lösungen aufzuweisen.
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Deaktivieren bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Auslassventil unabhängig von einer Nockenwellendrehstellung geschlossen ist. Aktivieren bedeutet vorliegend insbesondere, dass das Auslassventil in Abhängigkeit einer Drehstellung einer Nockenwelle geöffnet und geschlossen werden kann. Bei der Motordrehzahl handelt es sich insbesondere um eine Motor-Ist-Drehzahl, bei der Motorlast insbesondere um eine Motor-Ist-Last.
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Gemäß einer Ausführung werden die ersten Auslassventile, insbesondere während der ersten Auslasssteuerzeit, mit einem ersten Ventilhubverlauf betrieben, der sich von einem zweiten Ventilhubverlauf, mit dem die zweiten Auslassventile, insbesondere während der zweiten Auslasssteuerzeit, betrieben werden, hinsichtlich eines Hubmaximums und/oder eines Hubgradients beim Öffnen und/oder beim Schließen unterscheidet.
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Dadurch kann beispielsweise eine Kompensation der etwas stärkeren Drosselung durch die kürzere erste Auslasssteuerzeit bei Teillast erfolgen. Ebenso kann eine Kompensation der leicht schwächeren Gegendruckabsenkung als mit acht „langen“ Auslasssteuerzeiten (bei Vierzylindern) erfolgen.
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Gemäß einer Ausführung ist den ersten und zweiten Auslassventilen jeweils eine geeignete Schalteinrichtung, wie beispielsweise ein Schlepphebel und/oder ein Schiebenocken oder ein vollvariabler Ventiltrieb, zugeordnet, wobei die Schleppeinrichtung der zweiten Auslassventile als Auslassschaltschlepphebel oder als Schiebenockenanordnung oder mit einem vollvariablen Ventiltrieb ausgebildet sind, sodass insbesondere die zweiten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung aktivierbar und deaktivierbar sind.
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Gemäß einer Ausführung sind die ersten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung nicht aktivierbar und deaktivierbar. Das ermöglicht, die ersten Schalteinrichtungen einfach, damit kleiner und günstiger auszuführen.
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Gemäß einer alternativen Ausführung sind die ersten Auslassventile durch ein Aktivieren und Deaktivieren der jeweils zugehörigen Schalteinrichtung - analog den zweiten Auslassventilen - aktivierbar und deaktivierbar, insbesondere indem die Schalteinrichtungen der ersten Auslassventile als Auslassschaltschlepphebel ausgebildet sind. Das ermöglicht einen verbrauchs- und emissionsoptimierten Motorschleppbetrieb.
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Gemäß einer Ausführung kann die Schalteinrichtung in einem aktivierten Zustand in Zusammenwirken mit einer Nockenwelle das Auslassventil betätigen, und betätigt in einem deaktivierten Zustand unabhängig von einer Stellung der Nockenwelle das Auslassventil nicht.
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Gemäß einer Ausführung weist der Verbrennungsmotor eine Verstelleinrichtung, beispielsweise eine Verstellwelle, auf, die dazu eingerichtet ist, in einem Hochlastmodus alle Auslassventile aller Zylinder zu aktivieren, und in einem Teillastmodus das erste Auslassventil der Zylinder einer, mehrerer oder aller Zylindergruppen zu aktivieren und das zweite Auslassventil der Zylinder dieser Zylindergruppen zu deaktivieren. Dadurch wird ein Betrieb mit einer oder mehreren abgeschalteten Zylindergruppen unterstützt. Diese Betriebsart ist auch in einem „Toggle“-Betrieb mit abwechselnd deaktivierten Zylindergruppen vorgesehen.
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Gemäß einer Ausführung weist die Mono-Scroll-Turbine ein verstellbares Leitrad auf, ist also insbesondere als VTG-Turbine ausgebildet. Durch das Verstellen des Anstellwinkels der Turbinenschaufeln des Leitrades kann die Impulsübertragung vom Abgas auf die Turbine optimiert und damit die Response der Turbine verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführung ist der Abgaskrümmer ein teilflutengetrennter Abgaskrümmer. Das heißt insbesondere, dass die Abgasfluten aller Zylinder zumindest im Wesentlichen erst an einer Verbindungsstelle des Abgaskrümmers zu dem Abgasturbolader zusammengeführt werden. Durch die verhältnismäßig späte Zusammenführung der Fluten kann die Impulsübertragung auf die Turbinenschaufeln verbessert werden.
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Insbesondere werden - bezüglich eines Abgasstroms im Abgaskrümmer - zunächst die Abgasfluten einer ersten Zylindergruppe (mit bezüglich einer Zylinderfolge nicht unmittelbar nacheinander zündenden Zylindern) zu einer ersten Gruppenflut und die Abgasfluten einer zweiten Zylindergruppe zu einer zweiten Gruppenflut zusammengeführt. Anschließend werden, insbesondere beabstandet von den Ausgangspunkten der jeweiligen Gruppenflut, die beiden Gruppenfluten zusammengeführt. Neben der verbesserten Impulsübertragung wirkt eine derartige Ausgestaltung des Abgaskrümmers auch der Neigung des Systems zum Übersprechen entgegen.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
- 1 zeigt schematisch eine Antriebsanordnung nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einem Teillastmodus.
- 2 zeigt schematisch die Antriebsanordnung nach 1 in einem Hochlastmodus.
- 3 zeigt schematisch einen schaltbaren Schlepphebel eines zweiten Auslassventils in seiner Einbauumgebung eines der Zylinder im Verbrennungsmotor der Antriebsanordnung nach 1.
- 4 zeigt zur Verdeutlichung eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ein Diagramm, in welchem der Hubverlauf der Auslassventile des Verbrennungsmotors der Antriebsanordnung nach 1 über den Kurbelwinkel dargestellt ist.
- 5 zeigt zur Verdeutlichung des Verfahrens ein Diagramm, in welchem die Zuteilung der verschiedenen Lastmodi in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl und einem Motormoment dargestellt ist.
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Die 1 und 2 zeigen eine Antriebsanordnung 8 mit einem als Vierzylinder ausgebildeten Verbrennungsmotor 10, der vier Zylinder 1, 2, 3 und 4 aufweist. Jeder der Zylinder 1-4 umfasst ein erstes Auslassventil R und ein zweites Auslassventil L.
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Darüber hinaus weist die Antriebsanordnung 8 einen Abgasturbolader 12 mit einer Mono-Scroll-Turbine 18 (also mit einem einzigen Einlass am Turbineneintrittsgehäuse 16 an der Turbine 18 des Abgasturboladers 12) auf. Die ersten Auslassventile R sowie die zweiten Auslassventile R sind mit dem Turbineneintrittsgehäuse 16 über einen Abgaskrümmer 20 strömungsverbindbar. Zwischen dem Abgaskrümmer 20 und den Turbineneintrittsgehäuse 16 der Turbine 18 zweigt ein Wastegate 22 zur Umgehung der Turbine 18 ab.
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Stromabwärts der Turbine 18 ist eine Abgasnachbehandlung mit einem motornahen Katalysator 24 und einem Unterbodenkatalysator 25 angeordnet.
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Ein Verdichter 26 des Abgasturboladers 12 verdichtet Umgebungsluft, die von einem Ansauggeräuschdämpfer 27 hergeleitet wird, und führt diese über einen Ladeluftkühler 28 und eine Drosselklappe 29 den Zylindern 1-4 zu.
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Der Abgaskrümmer 20 ist als teilflutengetrennter Abgaskrümmer ausgebildet, wobei bezüglich eines Abgasstroms im Abgaskrümmer 20 zunächst die Abgasfluten einer ersten Zylindergruppe (Zylinder 2 und 3) zu einer ersten Gruppenflut 5 und die Abgasfluten einer zweiten Zylindergruppe (Zylinder 1 und 4) zu einer zweiten Gruppenflut 6 zusammengeführt werden, und anschließend beabstandet von den Ausgangspunkten der jeweiligen Gruppenflut 5 bzw. 6 die beiden Gruppenfluten zusammengeführt werden.
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In einem ähnlichen Ausführungsbeispiel können auch die beiden Zylinderfluten einer der Gruppenfluten einzelnen einer anderen, bereits vereinigten Gruppenflut zugeführt werden, oder alle einzelnen Zylinderfluten an einer Vereinigungsstelle zusammengeführt werden. Relevant ist letztlich, dass die einzelnen Fluten bzw. die Gruppenfluten erst möglichst nahe am Turbineneintrittsgehäuse 16 der Turbine 18 des Abgasturboladers 12 zusammengeführt werden, insbesondere erst unmittelbar vor einer Verzweigung zu einem Waste-Gate 22.
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Die ersten Auslassventile R und die zweiten Auslassventile L werden mittels eines Ventiltriebs 30 betrieben (vergleiche 3), der eine nicht dargestellte erste Schalteinrichtung (beispielsweise als Schlepphebel ausgebildet) für die ersten Auslassventile R und die beispielsweise als Auslassschaltschlepphebel ausgebildete Schalteinrichtung 32 für die zweiten Auslassventile L aufweist.
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In Abhängigkeit von einem Lastmodus sind entweder in einem Hochlastmodus 200 alle Auslassventile R, L der Zylinder 1-4 aktiviert, oder in einem Teillastmodus 100 die ersten Auslassventile R aktiviert und die zweiten Auslassventile L deaktiviert.
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Der Teillastmodus 100 ist in 1 dargestellt. Die schwarz ausgefüllten zweiten Auslassventile L symbolisieren, dass diese im Teillastmodus 100 unabhängig von der Drehung einer Nockenwelle 36 nicht betätigt werden (d.h., ein Ventilhub der zweiten Auslassventile L ist im Teillastmodus 100 konstant Null).
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Der Hochlastmodus 200 ist in 2 dargestellt. Die weiß ausgefüllten zweiten Auslassventile L symbolisieren, dass diese im Hochlastmodus 200 entsprechend erbauten Kontur der Nockenwelle 36 betätigt werden.
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Zum Umschalten zwischen den Lastmodi 100 bzw. 200 arbeitet im Ventiltrieb 30 ein schaltbarer zweiter Schlepphebel 32 auf einem Ventilschaft 34. Der Ventilschaft 34 ist stellvertretend für jedes der zweiten Auslassventile L dargestellt.
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In einem aktivierten Zustand wird der Schlepphebel 32 von einer Nockenwelle 36 betätigt. Der Schlepphebel 32 bewegt dann den Ventilschaft 34 derart, dass das zugehörige zweite Auslassventil L geöffnet und geschlossen wird. In einem deaktivierten Zustand betätigt der Schlepphebel 32 den Ventilschaft 34 unabhängig von einer Drehstellung der Nockenwelle 36 nicht.
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Der Schlepphebel 32 wird durch eine im Ausführungsbeispiel als Verstellwelle ausgebildete Verstelleinrichtung 38 zwischen seinem aktivierten Zustand und seinem deaktivierten Zustand geschaltet. Die Verstelleinrichtung 38 umfasst dafür eine Schaltkontur 40, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schaltnocken ausgebildet ist.
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Die Verstellwelle 38 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Zylinder 1-4 des Verbrennungsmotors 10.
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Auf der Verstelleinrichtung 38 ist eine der Anzahl der Auslassventile L und R entsprechende Anzahl an Schaltkonturen 40 ausgebildet. Im Falle des Verbrennungsmotors 10 sind auf der Verstelleinrichtung 38 also acht Schaltkonturen 40 vorhanden.
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Die Verstelleinrichtung 38 ist dabei im Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass jedem der beschriebenen Lastmodi 100, 200 des Verbrennungsmotors 10 eine Drehstellung der Verstelleinrichtung 38 entspricht.
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Zur Durchführung der Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die nicht dargestellten ersten Schleppeinrichtungen für die ersten Auslassventile R nicht schaltbar ausgeführt sein. Allerdings können diese Schalthebel analog zu den zweiten Schalthebel 32 ausgebildet sein, wenn für den Verbrennungsmotor Betriebsfälle mit einer vollständigen Motorabschaltung, beispielsweise bei einem Schubbetrieb, vorgesehen sein sollen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die ersten Auslassventile R mit einer ersten Auslasssteuerzeit T1 betrieben, die kürzer ist als eine zweite Auslasssteuerzeit T2, mit der die zweiten Auslassventile L betrieben werden. Die erste Auslasssteuerzeit T1 ist bezogen auf einen Kurbelwinkel KW unabhängig davon, ob die Antriebsanordnung 8 im Teillastmodus 100 oder Hochlastmodus 200 betrieben wird. Die zweite Auslasssteuerzeit T2 ist im Hochlastmodus 200 bezogen auf den Kurbelwinkel KW konstant. Im Teillastmodus 100 ist die zweite Auslasssteuerzeit gleich Null, weil die zweiten Auslassventile L nicht angehoben werden.
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In dem Diagramm 400 der 4 ist ein Hub H der Auslassventile R bzw. L über den Kurbelwinkel KW der Nockenwelle 36 eingetragen. Dabei ist für den Hochlastmodus 200 ein erster Hubverlauf H1 der ersten Auslassventile R und ein zweiter Hubverlauf H2 der zweiten Auslassventile L dargestellt.
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Durch die kürzere erste Auslasssteuerzeit T1 kann im Teillastmodus 100 ein Übersprechen von Abgas aus dem zuvor gezündeten Zylinder in den Zylinder mit dem aktuell geöffneten ersten Auslassventil R vermieden werden.
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Im Hochlastmodus 200 kann durch die längere zweite Auslasssteuerzeit T2 hingegen ein guter Ladungswechsel sichergestellt werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel (durchgezogene Linien) werden beide Auslassventile R und L mit dem gleichen Maximalhub Hmax betrieben.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel wäre aber auch denkbar, dass die ersten Auslassventile R mit einem Hubverlauf H1' mit einem größeren Maximalhub Hmax' betrieben werden, insbesondere um eine (ggf. noch) kürzere erste Auslasssteuerzeit T1' beim Gaswechsel zu kompensieren. Damit wäre dann auch ein steilerer Hubgradient verbunden. Diese Variante ist im Diagramm 400 mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
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In dem Diagramm 500 der 5 ist vereinfacht dargestellt, wie ein Schaltpunkt (hier als Schaltlinie S ausgebildet) hinsichtlich des Lastmodus 100 bzw. 200 in Abhängigkeit von mehreren Motorkenngrößen M und/oder n und/oder RG und/oder LB und/oder GD und/oder SV und/oder SW und/oder HE und/oder SN und/oder RA und/oder PT durch die Steuereinheit 11 bestimmt wird. Diese Auflistung von Motorkenngrößen ist beispielhaft für die dargestellte Ausführung. In anderen Ausführungen können ganz oder teilweise andere Motorkenngrößen herangezogen werden.
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Das Diagramm 500 zeigt ein Motorkennfeld, in welchem ein Motormoment M über die Motordrehzahl n aufgetragen ist. Unterhalb einer Linie maximalen Motormoments (Grenzdrehmoment 501) wird das Motormoment-Drehzahl-Feld durch die Schaltlinie S aufgeteilt in einen Bereich, in welchem der Verbrennungsmotor 10 im Teillastmodus 100 betrieben wird, und einen Bereich, in welchem der Verbrennungsmotor 10 Hochlastmodus 200 betrieben wird.
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Diese zweidimensionale Darstellung dient unter anderem der einfachen Vermittlung des Prinzips der Umschaltung zwischen den beiden Lastmodi 100 bzw. 200 an der Schaltlinie S. Die Schaltlinie S wird mittels der Steuereinheit 11 in Abhängigkeit unter anderem von den aufgetragenen Motorkenngrößen M und n berechnet. Im Ausführungsbeispiel fließen in die Berechnung des Schaltpunkts S noch verschiedene weitere Motorkenngrößen ein, wie beispielsweise ein Restgasgehalt (RG) und/oder ein Ladedruckbedarf (LB) und/oder ein Gegendruck (GD) und/oder eine Schwerpunktlage der Verbrennung (SV) und/oder eine Wastegate-Stellung (SW) und/oder ein Hub der Einlassventile (HE) und/oder eine Spreizung der Ein- und Auslassnockenwellen (SN) und/oder einer Rate einer externen AGR (RA) und/oder eine Position (PT) eines variablen Turbinenleitrades. In die Berechnung des Schaltpunkts können auch weitere, zuvor nicht genannte Motorkenngrößen oder Randbedingungen einfließen. In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können unterschiedliche, insbesondere auch mehr oder weniger, der Kenngrößen Berücksichtigung finden. Das Umschalten zwischen den Lastmodi erfolgt damit je nach Betriebspunkt im Kennfeld und Fahrerwunsch nach Kriterien zur Maximierung des Moments oder der Minimierung des Verbrauchs.
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Durch den Einsatz unterschiedlicher Auslasssteuerzeiten T1 und T2 im Hochlastmodus 200 und die Abschaltung der länger geöffneten zweiten Auslassventile L im Teillastmodus 100 kann ein Abgasturbolader mit einer Mono-Scroll-Turbine 18 auch bei Motoren mit mehr als einer Zylindergruppe 5, 6 eingesetzt werden. Eine Mono-Scroll Turbine hat typischerweise bei gleicher Größe einen besseren Wirkungsgrad, eine höhere thermomechanische Festigkeit sowie geringere Kosten als eine Zwillingsstrom- oder Segmentturbine.
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Eine Steuereinheit 11 des Verbrennungsmotors 10 ist insbesondere auch als Steuereinheit der Antriebsanordnung 8 ausgebildet. Sie kann auch als interaktiver oder separat arbeitender Teil einer übergeordneten Motorsteuerung des Verbrennungsmotors 10 ausgebildet sein. Für die Zwecke der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Antriebsanordnung 8 ist die Steuereinheit insbesondere für folgende Aufgaben eingerichtet:
- 1) Ermitteln von Ausprägungen derjenigen Motorkenngrößen 501, 502, die für die Bestimmung des Lastmodus herangezogen werden; 2) Bestimmung des zu verwendenden Lastmodus (also entweder Teillastmodus 100 oder Hochlastmodus 200) in Abhängigkeit von den ermittelten Ausprägungen der herangezogenen Motorkenngrößen; 3) Ansteuern der Verstellwelle 38 zum Aktivieren oder Deaktivieren der zweiten Auslassventile L in Abhängigkeit von dem bestimmten Lastmodus. Falls die Turbine 18 des Abgasturboladers 12 mit einem variablen Leitrad ausgebildet ist, kann die Steuereinheit 11 zudem dazu eingerichtet sein, eine Winkelstellung der Schaufeln des Leitrads unter anderem in Abhängigkeit von dem bestimmten Lastmodus 100 oder 200 zu verstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1-4
- Zylinder
- 5
- erste Gruppenflut
- 6
- zweite Gruppenflut
- 8
- Antriebsanordnung
- 10
- Verbrennungsmotor
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Abgasturbolader
- 16
- Turbineneintrittgehäuse
- 18
- Mono-Scroll-Turbine
- 20
- Abgaskrümmer
- 22
- Wastegate
- 24
- motornaher Katalysator
- 25
- Unterbodenkatalysator
- 26
- Verdichter
- 27
- Ansauggeräuschdämpfer
- 28
- Ladeluftkühler
- 29
- Drosselklappe
- 30
- Ventiltrieb
- 32
- Schalteinrichtung (z.B. schaltbarer, zweiter Schlepphebel)
- 34
- Ventilschaft
- 36
- Nockenwelle
- 38
- Verstelleinrichtung (z.B. Verstellwelle)
- 40
- Schaltkontur
- 100
- Teillastmodus
- 200
- Hochlastmodus
- 400
- Hubverlauf-Kurbelwinkel-Diagramm
- 500
- Motormoment-Motordrehzahl-Diagramm
- 501
- Grenzmotormoment über die Drehzahl
- R
- erste Auslassventile
- T1
- erste, kürzere Auslasssteuerzeit
- H1
- erster Hubverlauf
- L
- zweite Auslassventile
- T2
- zweite, kürzere Auslasssteuerzeit
- H2
- zweiter Hubverlauf
- Hmax
- maximaler Ventilhub
- KW
- Kurbelwinkel
- M
- Motormoment
- n
- Motordrehzahl
- S
- Schaltpunkt, insbesondere Schaltlinie
- RG
- Restgasgehalt
- LB
- Ladedruckbedarf
- GD
- Gegendruck
- SV
- Schwerpunktlage der Verbrennung
- SW
- Wastegate-Stellung
- HE
- Hub der Einlassventile
- SN
- Spreizung der Ein- und Auslassnockenwellen
- RA
- Rate einer externen AGR
- PT
- Position eines variablen Turbinenleitrades