DE102013221112A1

DE102013221112A1 - Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschineund Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013221112A1
Application number: DE201310221112
Authority: DE
Inventors: Klemens Grieser; Helmut Kindl; Harald Stoffels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (51, 52) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, wobei die Abgasleitungen (51, 52) unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers (7) zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, und – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine in der Gesamtabgasleitung (6) angeordnete einflutige Turbine umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, die auf kostengünstige Weise hinsichtlich der Restgasproblematik verbessert ist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) ein unterschiedliches Verdichtungsverhältnis εi aufweisen, wobei das Verdichtungsverhältnis εi mit der Leitungslänge ∆li des Abgasabführsystems zwischen der mindestens einen Auslassöffnung des Zylinders (1, 2, 3, 4) und der Turbine korreliert, in der Art, dass der Zylinder (1, 2, 3, 4) mit der kürzeren Leitungslänge ∆li das kleinere Verdichtungsverhältnis εi aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordneten Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
– mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete einflutige Turbine umfasst.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine fremdgezündete Ottomotoren, aber auch fremdgezündete Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, bzw. fremdgezündete Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden, wozu im Zylinderkopf und im Zylinderblock Bohrungen vorgesehen sind. Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders. Die durch den Zylinderblock gebildete obere Kurbelgehäusehälfte wird ergänzt durch die an den Zylinderblock montierbare und als untere Kurbelgehäusehälfte dienende Ölwanne, die dem Sammeln und Bevorraten des Motoröls dient und Teil des Ölkreislaufs ist. Zur Aufnahme und Lagerung einer Kurbelwelle sind mindestens zwei Lager im Kurbelgehäuse vorgesehen. Zur Übertragung eines Drehmomentes ist jeder Kolben gelenkig mit der Kurbelwelle verbunden. Die im Kurbelgehäuse gelagerte Kurbelwelle nimmt die Pleuelstangenkräfte auf und transformiert die oszillierende Hubbewegung der Kolben in eine rotierende Drehbewegung der Kurbelwelle.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise der Aufnahme des für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebs. Zur Betätigung eines Ventils wird einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung. Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich der Ventile wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasleitung über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Ladeluft via Ansaugleitung über die mindestens eine Einlassöffnung jedes Zylinders. Dabei sind zumindest Teilstücke der mindestens einen Ansaugleitung bzw. der mindestens einen Abgasleitung jedes Zylinders im Zylinderkopf integriert.
Die Abgasleitungen der mindestens drei Zylinder werden in der Regel und auch bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Stromabwärts des gemeinsamen Abgaskrümmers werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine der einflutigen Turbine mindestens eines Abgasturboladers zugeführt und gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Ein Abgasturbolader umfasst einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird via Gesamtabgasleitung der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens drei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen der in Rede stehenden Art, bei der die Abgasleitungen eines Zylinderkopfes unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden und bei der in dieser Gesamtabgasleitung die einflutige Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, weisen die Zylinder nach dem Ladungswechsel unterschiedliche Restgasanteile auf.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern weisen die innenliegenden Zylinder nach dem Ladungswechsel einen höheren Restgasanteil auf als die beiden außenliegenden Zylinder. Die 1a und 1b zeigen dieses Phänomen und zwar für eine niedrige Drehzahl n_mot = 1200 min^–1 (siehe 1a) und für eine höhere Drehzahl n_mot = 6000 min^–1 (siehe 1b), wobei der Restgasanteil in Prozent [%] an der Zylinderfrischladung auf der Ordinate und die Zylinderzahl auf der Abszisse aufgetragen sind.
Ursächlich verantwortlich für die unterschiedlichen Restgasanteile sind die während des Ladungswechsels im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge. Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus den Zylindern einer Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das 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 evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.
Die dynamischen Wellenvorgänge bzw. Druckschwankungen im Abgasabführsystem sind der Grund dafür, dass sich die versetzt arbeitenden Zylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel gegenseitig beeinflussen, insbesondere auch behindern können. Eine verschlechterte Drehmomentcharakteristik bzw. ein gemindertes Leistungsangebot können die Folge sein.
Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Als nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass die durch das Abgasabführsystem laufenden Druckwellen reflektiert werden und sich überlagern.
Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt. Um eine klopfende Verbrennung sicher zu vermeiden, werden Zylinder mit höherem Restgasanteil später gezündet als die übrigen Zylinder, d. h. als Zylinder mit niedrigerem Restgasanteil, wobei die dadurch initiierte spätere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu einer kleineren Gaskraft auf den Kolben führt und damit zu einem niedrigeren übertragenen Drehmoment. Die unterschiedlichen zylinderzugehörigen Drehmomente führen zu Drehschwingungen der Kurbelwelle, wobei sich Vibrationen in die übrige Brennkraftmaschine und bis in das Fahrzeug hinein fortpflanzen können.
Probleme beim Ladungswechsel einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, wenn während einer Ventilüberschneidung, bei der das Auslassventil bei geöffnetem Einlassventil noch nicht geschlossen ist, das Abgas unter Inkaufnahme von Spülverlusten weitestgehend aus dem Zylinder ausgespült werden soll (siehe auch 1a und 1b).
Der gegenseitigen Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel könnte entgegengewirkt werden durch gleichlange Abgasleitungen der Zylinder unter Inkaufnahme eines komplexen voluminösen Abgasabführsystems oder indem die Abgasleitungen der einzelnen Zylinder für eine längere Wegstrecke voneinander getrennt geführt werden.
Aus mehreren Gründen ist es aber vorteilhaft, die Abgasleitungen kurz zu gestalten und den Abgaskrümmer weitestgehend in den mindestens einen Zylinderkopf zu integrieren, d. h. die Zusammenführung der Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung möglichst umfänglich bereits im Zylinderkopf vorzunehmen.
Dies führt zu einer kompakteren Bauweise der Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit im Motorraum. Zudem ergeben sich Kostenvorteile bei der Herstellung und der Montage und eine Gewichtsreduzierung der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einer vollständigen Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf.
Des Weiteren kann sich die weitestgehende Integration der Zusammenführung der Abgasleitungen vorteilhaft auf die Anordnung und den Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems, welches stromabwärts des Krümmers vorgesehen ist, auswirken. Der Weg der heißen Abgase zu den verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen sollte möglichst kurz sein, damit den Abgasen wenig Zeit zur Abkühlung eingeräumt wird und die Abgasnachbehandlungssysteme möglichst schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur erreichen, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
In diesem Zusammenhang ist man bemüht, die thermische Trägheit des Teilstücks der Abgasleitungen zwischen Auslassöffnung am Zylinder und Abgasnachbehandlungssystem zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge dieses Teilstückes erreicht werden kann. Zielführend dabei kann die weitestgehende Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf sein.
Bei mittels Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen – wie der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – wird angestrebt, die Turbine möglichst nahe am Auslass, d. h. nahe den Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Auch dabei sollte die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine minimiert werden, weshalb wiederum die weitestgehende Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf zielführend ist.
Durch die weitgehende Integration des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf bzw. die Verkürzung der Abgasleitungen im Allgemeinen verschärft sich die Problematik der gegenseitigen Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel, insbesondere die oben beschriebene Restgasproblematik, die unter anderem gekennzeichnet ist durch unterschiedlich große Restgasanteile in den Zylindern, die unterschiedliche Zündzeitpunkte erfordern und dadurch unterschiedlich große Drehmomente bedingen, die zu Drehschwingungen der Kurbelwelle führen.
Grundsätzlich könnte die gegenseitige Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel auch dadurch unterbunden werden, dass die Zylinder in Gruppen zusammengefasst werden, wobei die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen und die Gesamtabgasleitungen mit einer mehrflutigen Turbine in der Art verbunden werden, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Flut der mehrflutigen Turbine verbunden ist.
Die Zylindergruppen wären dabei vorteilhafterweise in der Art zu konfigurieren, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen. Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen, so dass die Zylinder einer Gruppe einen größtmöglichen thermodynamischen Versatz aufweisen. Wird beispielsweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1-2-4-3 bzw. gemäß der Zündfolge 1-3-4-2 initiiert, wäre es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.
Eine mehrflutige Turbine, beispielsweise eine zweiflutige Turbine in Gestalt einer Doppelstromturbine oder einer Zwillingsstromturbine, ist deutlich kostenintensiver als die einflutige Turbine, welche bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die auf kostengünstige Weise hinsichtlich der Restgasproblematik verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordneten Zylindern, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, wobei die Abgasleitungen unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
– mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine in der Gesamtabgasleitung angeordnete einflutige Turbine umfasst,

– mindestens zwei Zylinder ein unterschiedliches Verdichtungsverhältnis ε_i aufweisen, wobei das Verdichtungsverhältnis ε_i mit der Leitungslänge ∆l_i des Abgasabführsystems zwischen der mindestens einen Auslassöffnung des Zylinders und der Turbine korreliert, in der Art, dass der Zylinder mit der kürzeren Leitungslänge ∆l_i das kleinere Verdichtungsverhältnis ε_i aufweist.

Die Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden mit unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen ε_i ausgestattet, wobei das Verdichtungsverhältnis ε_i entsprechend dem im jeweiligen Zylinder verbliebenen Restgasanteil gewählt wird. Erfindungsgemäß werden nämlich die Zylinder, die aufgrund der kürzeren Wegstrecke zwischen Zylinderauslass und Turbine nach dem Ladungswechsel den höheren Restgasanteil aufweisen und damit hinsichtlich einer klopfenden Verbrennung stärker gefährdet sind, mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε_low ausgestattet. Die Zylinder, die demgegenüber einen niedrigeren Restgasanteil aufweisen, weil bei ihnen die Wegstrecke zwischen Zylinderauslass und Turbine länger ausfällt, sind weniger klopfgefährdet und können daher mit einem höheren Verdichtungsverhältnis ε_high ausgestattet werden.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern weisen die innenliegenden Zylinder aufgrund der kürzeren Abgaswege nach dem Ladungswechsel einen höheren Restgasanteil auf als die beiden außenliegenden Zylinder, so dass erfindungsgemäß die innenliegenden Zylinder ein niedrigeres Verdichtungsverhältnis ε_low und die außenliegenden Zylinder ein höheres Verdichtungsverhältnis ε_high zugewiesen bekommen.
Die erfindungsgemäß als relevant angesehene Wegstrecke zwischen dem Zylinderauslass und der einflutigen Turbine wird vorliegend auch als zylinderzugehörige Leitungslänge ∆l_i des Abgasabführsystems zwischen der mindestens einen Auslassöffnung des Zylinders und der Turbine bezeichnet. Der erfindungsgemäße Lösungsansatz gemäß Anspruch 1 nimmt nicht direkt Bezug auf den hier eigentlich relevanten Restgasanteil, sondern vielmehr auf das ursächlich mit dem Restgasanteil zusammenhängende konstruktive bzw. gegenständliche Merkmal der zylinderzugehörigen Leitungslänge ∆l_i. Es wird davon ausgegangen, dass der Restgasanteil mit der zylinderzugehörigen Leitungslänge ∆l_i korreliert; wenn auch nicht streng.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird nicht angestrebt, die Restgasanteile der Zylinder über alle Zylinder zu egalisieren, d. h. die zylinderspezifischen Restgasanteile anzugleichen. Vielmehr wird vorgeschlagen, die unterschiedlichen Restgasanteile durch die Variation eines konstruktiven Merkmals, nämlich des Verdichtungsverhältnisses ε_i, zu kompensieren bzw. den durch die unterschiedlichen Restgasanteile bedingten Effekten durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i entgegen zu wirken.
D. h. die Zylinder einer erfindungsgemäßen Mehrzylinder-Brennkraftmaschine weisen krümmerbedingt unterschiedliche Restgasanteile auf und werden bzw. müssen in der Regel weiterhin mit unterschiedlichen Zündzeitpunkten t_ignition,i betrieben werden. Ähnlich große Gaskräfte auf die zylinderzugehörigen Kolben führen aber zu ähnlich großen zylinderzugehörigen Drehmomenten, so dass die Drehschwingungen der Kurbelwelle und damit verbundene Vibrationen gemindert werden. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang auch, dass der zylinderspezifische Restgasanteil Einfluss auf die Brenngeschwindigkeit hat.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine bereitgestellt, die auf kostengünstige Weise hinsichtlich der Restgasproblematik verbessert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei Zylinder. Eine Brennkraftmaschine muss in der Regel drei oder mehr Zylinder umfassen, damit mindestens zwei Zylinder unterschiedlich lange Abgasleitungen bis hin zur Turbine aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen der Abgaskrümmer bezüglich einer auf der Längsachse des Zylinderkopfes senkrecht stehenden Mittelebene symmetrisch ausgebildet ist.
Die symmetrische Ausbildung des Krümmers, die in der Praxis üblich ist, führt dazu, dass die drei oder mehr entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordneten Zylinder einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine unterschiedlich lange Abgasleitungen bis hin zur Turbine aufweisen.
Sobald mehrere Zylinder entlang der Längsachse eines Zylinderkopfes, d. h. in Reihe, angeordnet sind, gibt es mindestens einen innenliegenden Zylinder, der in bzw. nahe der Mittelebene positioniert ist, und mindestens zwei außenliegende Zylinder, die weiter beabstandet zur Mittelebene liegen, wobei in der Mittelebene die gemeinsame Gesamtabgasleitung angeordnet ist.
Daher sind auch bei Brennkraftmaschinen mit drei in Reihe angeordneten Zylindern Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die drei Zylinder zwei Gruppen bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen und der eine innenliegende Zylinder eine zweite Gruppe bildet und ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ < ε₁.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind bei Brennkraftmaschine mit vier in Reihe angeordneten Zylindern Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die vier Zylinder zwei Gruppen bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen und die zwei innenliegenden Zylinder eine zweite Gruppe bilden und ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweisen mit ε₂ < ε₁.
Bei Brennkraftmaschinen mit fünf in Reihe angeordneten Zylindern sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die fünf Zylinder drei Gruppen bilden, wobei

– die zwei außenliegenden Zylinder eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen,
– der eine innenliegende Zylinder eine dritte Gruppe bildet und ein Verdichtungsverhältnis ε₃ aufweist mit ε₃ < ε₁, und
– die zwei zwischen den außenliegenden Zylindern und dem innenliegenden Zylinder angeordneten Zylinder eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweisen mit ε₃ < ε₂ < ε₁.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen sich die mindestens zwei Zylinder mit unterschiedlichem Verdichtungsverhältnis ε_i durch unterschiedliche Zylindervolumina V_i auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ und ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ und ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit ε₂ < ε₁ und V₂ > V₁.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den mindestens einen Zylinderkopf als Brennraumdach mit ausgebildet ist, sind dabei Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich die unterschiedlichen Zylindervolumina V_i infolge geometrischer Unterschiede der zylinderzugehörigen Brennraumdächer ergeben.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens, ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf als Brennraumdach mit ausgebildet ist, sind dabei auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich die unterschiedlichen Zylindervolumina V_i infolge geometrischer Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben ergeben.
Das Zylindervolumen V_i und damit das Verdichtungsverhältnis ε₁ mittels unterschiedlicher Kolben zu variieren, ist eine Maßnahme, mit der sich bereits auf dem Markt befindliche Brennkraftmaschinen nachrüsten lassen, in dem Sinne, dass diese sich kostengünstig zu erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen modifizieren lassen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die geometrischen Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben Unterschiede in der Gestalt einer im Kolbenboden vorgesehenen Mulde sind.
Häufig lässt sich eine vorgesehene Kolbenmulde nicht beliebig verändern, da die Mulde primär der Ladungsbewegung und damit der Gemischbildung im Brennraum dient.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die geometrischen Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben Unterschiede in der Kolbenhöhe sind.
Die Kolbenhöhe bestimmt sich aus dem Abstand zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenbolzen entlang der Kolbenlängsachse. Der Kolbenbolzen dient der gelenkigen Verbindung des Kolbens mit der Pleuelstange und ist im Kolben in einer Bohrung gelagert, auf deren Mittelachse zur Bestimmung der Kolbenhöhe Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen die geometrischen Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben Unterschiede im Kolbendurchmesser sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündkerze ausgestattet ist. Die Zündkerze ist eine Zündvorrichtung zur sicheren Einleitung eines Zündfunkens, welche auch über die notwendige Standfestigkeit verfügt und zudem kostengünstig ist. Nichtsdestotrotz können auch andere Zündvorrichtungen zur Einleitung der Fremdzündung eingesetzt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung mittels Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.
Die Direkteinspritzung ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung und damit eine Möglichkeit zur Entdrosselung des Ottomotors bzw. des ottomotorischen Arbeitsverfahrens. Die Direkteinspritzung ermöglicht in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor, da sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch stark abmagern lässt. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Ladeluft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugtrakt in die angesaugte Luft eingebracht wird. Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Spürbare Kraftstoffeinsparungen können schon mit nur teilweise variablen Ventiltrieben erzielt werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Ladeluft bzw. Gemischmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein zumindest teilweise variabler Ventiltrieb vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist. Während des Ausschiebens der Abgase im Rahmen des Ladungswechsels ist es ein vorrangiges Ziel, möglichst schnell möglichst große Strömungsquerschnitte freizugeben, um ein effektives Abführen der Abgase zu gewährleisten, weshalb das Vorsehen von mehr als einer Auslassöffnung vorteilhaft ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die unterschiedlich große Turbinen aufweisen.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader für alle Zylinder eines Zylinderkopfes, wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein Drehmomentabfall beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Turbolader verbessert werden, gegebenenfalls in Kombination mit einem mechanischen Lader.
Die Brennkraftmaschine gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das kombinierte Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Teillastbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromabwärts der Hochdruckturbine und stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten weitere Vorteile. Die Leistungssteigerung durch Aufladung kann weiter erhöht werden. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derart aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich, deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern lässt.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird mit einem Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Zylinder mit unterschiedlichem Verdichtungsverhältnis ε_i mit unterschiedlichen Zündzeitpunkten t_ignition,i betrieben werden.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ein Zylinder mit höherem Verdichtungsverhältnis ε_high später gezündet wird als ein Zylinder mit niedrigerem Verdichtungsverhältnis ε_low.
Zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei der jeder Zylinder einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben mit begrenzt ist, wobei jeder Kolben zur Übertragung eines Drehmomentes gelenkig mit einer Kurbelwelle verbunden ist, sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die unterschiedlichen Zündzeitpunkte t_ignition,i in der Art aufeinander abgestimmt werden, dass die von den Kolben auf die Kurbelwelle übertragenen zylinderzugehörigen Drehmomente möglichst gleich groß sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens zwei Zylinder mit einem unterschiedlich großen Luftverhältnis λ betrieben werden. Um eine klopfende Verbrennung sicher zu vermeiden, kann eine Anfettung (ε < 1) notwendig werden, wenn eine erhöhte Klopfneigung besteht, d. h. insbesondere bei hohen Lasten und hohen Temperaturen. Dies kann insbesondere bei den Zylindern mit dem höheren Verdichtungsverhältnis ε_i erforderlich werden. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur im Zylinder sinkt. Diese Vorgehensweise ist zwar unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen als nachteilig anzusehen, aber dennoch zielführend bzw. zulässig, um ein Klopfen zu vermeiden bzw. Bauteile zu schützen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Luftverhältnis λ durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge verringert wird. Grundsätzlich könnte das Luftverhältnis λ auch durch Reduzierung der bereitgestellten Luftmasse verringert werden. Nachteilig an einer derartigen Vorgehensweise ist aber, dass mit der Reduzierung der Luftmasse prinzipbedingt ein Leistungsverlust verbunden ist. Daher ist es zu präferieren, das Luftverhältnis λ gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform durch Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge zu verringern.
Bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung, bei dem jeder Zylinder mit einem Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff ausgestattet ist, werden die Injektoren einzeln mittels Motorsteuerung gesteuert und das Luftverhältnisses λ über die eingespritzte Kraftstoffmenge eingestellt. Zur Einstellung der zugeführten Luftmenge und damit der Last ist im Ansaugsystem eine Drosselklappe vorgesehen, die ebenfalls von der Motorsteuerung gesteuert bzw. geregelt wird. Folglich ist es auch problemlos möglich, die Zylinder mit einem unterschiedlichen Luftverhältnis zu betreiben.
Vorteilhaft sind aber Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die mindestens drei Zylinder stöchiometrisch betrieben werden. Der stöchiometrische Betrieb hat erhebliche Vorteile im Hinblick auf die Abgasnachbehandlung und den Einsatz eines Dreiwegekatalysators, der einen in engen Grenzen ablaufenden stöchiometrischen Betrieb (λ ≈ 1) des Ottomotors erfordert.
Das für den Dreiwegekatalysator relevante Gesamtluftverhältnis ergibt sich aus den Ladeluftmassen und den Kraftstoffmengen, die der Gesamtheit der Zylinder des Zylinderkopfes zugeführt werden, so dass grundsätzlich ein angefetteter Betrieb eines Zylinder durch einen mageren Betrieb eines anderen Zylinders ausgeglichen werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1a, 1b und anhand einer Ausführungsform der aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1a in einem Diagramm den Restgasanteil an der Zylinderfrischladung in Prozent [%] auf der Ordinate über der Zylinderzahl auf der Abszisse für eine Motordrehzahl n_mot = 1200 min^–1,
1b in einem Diagramm den Restgasanteil an der Zylinderfrischladung in Prozent [%] auf der Ordinate über der Zylinderzahl auf der Abszisse für eine Motordrehzahl n_mot = 6000 min^–1, und
2 schematisch die Zylinder einer ersten Ausführungsform der fremdgezündeten Brennkraftmaschine mitsamt Abgaskrümmer.
Die 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.
2 zeigt schematisch die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 eines fremdgezündeten Vierzylinder-Reihenmotors mitsamt Abgaskrümmer 7.
Die Abgasleitungen 5 ₁, 5 ₂ der vier in Reihe, d. h. entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, angeordneten Zylinder 1, 2, 3, 4 führen unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers 7 zu einer Gesamtabgasleitung 6 zusammen, wobei der Abgaskrümmer 7 bezüglich einer auf der Längsachse des Zylinderkopfes senkrecht stehenden Mittelebene symmetrisch ausgebildet ist, so dass die Gesamtabgasleitung 6 in dieser Mittelebene liegt.
Die Abgaswege zwischen dem jeweiligen Zylinderauslass und einer in der Gesamtabgasleitung 6 angeordneten Turbine (nicht dargestellt) sind daher nicht für alle Zylinder 1, 2, 3, 4 einheitlich lang.
Vielmehr weisen die Abgasleitungen 5 ₁ der beiden außenliegenden Zylinder 1, 4, welche eine erste Gruppe bilden, eine größere Leitungslänge ∆l₁ auf als die Abgasleitungen 5 ₂ der beiden innenliegenden Zylinder 2, 3, die eine zweite Gruppe bilden und eine kürzere Leitungslänge ∆l₂ aufweisen. Infolgedessen weisen die innenliegenden Zylinder 2, 3 nach dem Ladungswechsel einen höheren Restgasanteil auf als die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4.
Dem durch die unterschiedlichen Restgasanteile bedingten Effekt, nämlich dem von Zylinder 1, 4 zu Zylinder 2, 3 variierenden Drehmoment, wird durch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse ε_i entgegen gewirkt. Die zwei außenliegenden Zylinder 1, 4 der ersten Gruppe erhalten ein Verdichtungsverhältnis ε₁ und die zwei innenliegenden Zylinder 2, 3 der zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ mit ε₂ < ε₁.
D. h. die Zylinder 2, 3 mit der kürzeren Leitungslänge ∆l₂ werden mit dem niedrigeren Verdichtungsverhältnis ε₂ = ε_low ausgestattet und die Zylinder 1, 4 mit den längeren Abgasleitungen 5 ₁ bzw. größeren Leitungslängen ∆l₁ mit dem höheren Verdichtungsverhältnis ε₁ = ε_high. Insofern korreliert die Leitungslänge ∆l_i mit dem Verdichtungsverhältnis ε_i.
Bei der in 2 gezeigten Momentaufnahme befinden sich die Kolben 1a, 2a des ersten und des zweiten Zylinders 1, 2 im unteren Totpunkt und die Kolben 3a, 4a des dritten und des vierten Zylinders 3, 4 im oberen Totpunkt.
Die zwei Zylindergruppen der in 2 dargestellten Ausführungsform haben unterschiedliche Zylindervolumina V_i, wobei die außenliegenden Zylinder 1, 4 ein Zylindervolumen V₁ und die innenliegenden Zylinder 2, 3 ein Zylindervolumen V₂ aufweisen mit V₂ > V₁.
Vorliegend werden die unterschiedlichen Zylindervolumina V_i durch geometrische Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben 1a, 2a, 3a, 4a realisiert und zwar durch unterschiedliche Kolbendurchmesser.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder
1a: Kolben des ersten Zylinders
2: zweiter Zylinder
2a: Kolben des zweiten Zylinders
3: dritter Zylinder
3a: Kolben des dritten Zylinders
4: vierter Zylinder
4a: Kolben des vierten Zylinders
5₁: Abgasleitung eines Zylinders einer ersten Gruppe von Zylindern
5₂: Abgasleitung eines Zylinders einer zweiten Gruppe von Zylindern
6: Gesamtabgasleitung
7: Abgaskrümmer
ε_i: Verdichtungsverhältnis eines Zylinders bzw. einer Gruppe von Zylindern
ε₁: Verdichtungsverhältnis einer ersten Gruppe von Zylindern
ε₂: Verdichtungsverhältnis einer zweiten Gruppe von Zylindern
ε₃: Verdichtungsverhältnis einer dritten Gruppe von Zylindern
ε_high: höheres Verdichtungsverhältnis
ε_low: niedrigeres Verdichtungsverhältnis
∆l_i: Leitungslänge des Abgasabführsystems zwischen einer Auslassöffnung eines
Zylinders: und der einflutigen Turbine
°KW: Grad Kurbelwinkel
λ: Luftverhältnis
n: Drehzahl der Brennkraftmaschine
t_ignition,i: Zündzeitpunkt eines Zylinders
V_i: Zylindervolumen
V₁: Zylindervolumen einer ersten Gruppe von Zylindern
V₂: Zylindervolumen einer zweiten Gruppe von zuschaltbaren Zylindern

Claims

Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens drei entlang der Längsachse des Zylinderkopfes angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (5 ₁, 5 ₂) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, wobei die Abgasleitungen (5 ₁, 5 ₂) unter Ausbildung eines gemeinsamen Abgaskrümmers (7) zu einer Gesamtabgasleitung (6) zusammenführen, und – mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine in der Gesamtabgasleitung (6) angeordnete einflutige Turbine umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) ein unterschiedliches Verdichtungsverhältnis ε_i aufweisen, wobei das Verdichtungsverhältnis ε_i mit der Leitungslänge ∆l_i des Abgasabführsystems zwischen der mindestens einen Auslassöffnung des Zylinders (1, 2, 3, 4) und der Turbine korreliert, in der Art, dass der Zylinder (1, 2, 3, 4) mit der kürzeren Leitungslänge ∆l_i das kleinere Verdichtungsverhältnis ε_i aufweist.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (7) bezüglich einer auf der Längsachse des Zylinderkopfes senkrecht stehenden Mittelebene symmetrisch ausgebildet ist.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 mit drei in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die drei Zylinder (1, 2, 3, 4) zwei Gruppen bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder (1, 2, 3, 4) eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder (1, 2, 3, 4) ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen und der eine innenliegende Zylinder (1, 2, 3, 4) eine zweite Gruppe bildet und ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweist mit ε₂ < ε₁.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die vier Zylinder (1, 2, 3, 4) zwei Gruppen bilden, wobei die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder (1, 4) ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen und die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) eine zweite Gruppe bilden und ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweisen mit ε₂ < ε₁.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 mit fünf in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die fünf Zylinder (1, 2, 3, 4) drei Gruppen bilden, wobei – die zwei außenliegenden Zylinder (1, 2, 3, 4) eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder (1, 2, 3, 4) ein Verdichtungsverhältnis ε₁ aufweisen, – der eine innenliegende Zylinder (1, 2, 3, 4) eine dritte Gruppe bildet und ein Verdichtungsverhältnis ε₃ aufweist mit ε₃ < ε₁, und – die zwei zwischen den außenliegenden Zylindern (1, 2, 3, 4) und dem innenliegenden Zylinder (1, 2, 3, 4) angeordneten Zylinder (1, 2, 3, 4) eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder (1, 2, 3, 4) ein Verdichtungsverhältnis ε₂ aufweisen mit ε₃ < ε₂ < ε₁.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) mit unterschiedlichem Verdichtungsverhältnis ε_i durch unterschiedliche Zylindervolumina V_i auszeichnen, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 2, 3, 4) einer ersten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₁ und ein Zylindervolumen V₁ aufweist und der mindestens eine Zylinder (1, 2, 3, 4) einer zweiten Gruppe ein Verdichtungsverhältnis ε₂ und ein Zylindervolumen V₂ aufweist mit ε₂ < ε₁ und V₂ > V₁.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens (1a, 2a, 3a, 4a), ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf als Brennraumdach mit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterschiedlichen Zylindervolumina V_i infolge geometrischer Unterschiede der zylinderzugehörigen Brennraumdächer ergeben.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) einen Brennraum umfasst, der durch einen Kolbenboden eines zylinderzugehörigen Kolbens (1a, 2a, 3a, 4a), ein Zylinderrohr und den Zylinderkopf als Brennraumdach mit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die unterschiedlichen Zylindervolumina V_i infolge geometrischer Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) ergeben.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) Unterschiede in der Gestalt einer im Kolbenboden vorgesehenen Mulde sind.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Unterschiede der zylinderzugehörigen Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) Unterschiede in der Kolbenhöhe sind.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) zur Einleitung einer Fremdzündung mit einer Zündkerze ausgestattet ist.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist.
Aufgeladene fremdgezündete Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, die unterschiedlich große Turbinen aufweisen.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zylinder (1, 2, 3, 4) mit unterschiedlichem Verdichtungsverhältnis ε_i mit unterschiedlichen Zündzeitpunkten t_ignition,i betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinder (1, 2, 3, 4) mit höherem Verdichtungsverhältnis ε_high später gezündet wird als ein Zylinder (1, 2, 3, 4) mit niedrigerem Verdichtungsverhältnis ε_low.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 zum Betreiben einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) einen Brennraum umfasst, der durch einen zylinderzugehörigen Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) mit begrenzt ist, wobei jeder Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) zur Übertragung eines Drehmomentes gelenkig mit einer Kurbelwelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Zündzeitpunkte t_ignition,i in der Art aufeinander abgestimmt werden, dass die von den Kolben (1a, 2a, 3a, 4a) auf die Kurbelwelle übertragenen zylinderzugehörigen Drehmomente möglichst gleich groß sind.