DE112018004444B4

DE112018004444B4 - Verbrennungsmotor mit schnell ansprechendem sekundärem Auslassventil und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE112018004444B4
Application number: DE112018004444.0T
Authority: DE
Inventors: Eric Olofsson; Daniel Norling; Andreas Dahl; Jonas Aspfors; Johan Linderyd; Henrik Höglund; Torbjörn Eliassen; Per STÅLHAMMAR
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2038-10-06
Also published as: SE542348C2; SE1751236A1; DE112018004444T5; WO2019070190A1

Abstract

Verbrennungsmotor (2), umfassend eine Kurbelwelle (20), zumindest eine Zylinderanordnung (4) und eine Turbine (8), wobeidie zumindest eine Zylinderanordnung (4) eine Brennkammer (23) ausbildet und eine Zylinderbohrung (12), einen Kolben (10), der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung (12) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her zu bewegen, ein Auslassventil (26) und eine Auslassöffnung (28) umfasst, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer (23) angeordnet ist, wobei das Auslassventil (26) einen Ventilkopf (30) umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz (32) der Auslassöffnung (28) abzudichten, wobeisich eine Auslassleitung (6) von der Auslassöffnung (28) zu einem Einlass der Turbine (8) erstreckt, wobeider Verbrennungsmotor (2) ein zweites Ventil (40) umfasst, das in der Auslassleitung (6) angeordnet ist, wobei das zweite Ventil (40) dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung (6) zu schließen und zu öffnen, und wobeidas zweite Ventil (40) geöffnet wird, nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen,dadurch gekennzeichnet, dassdas zweite Ventil (40) eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil (26), wobeiinnerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen, das zweite Ventil (40) damit beginnt, zu öffnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Gemäß weiterer Aspekte betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines Verbrennungsmotors sowie ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund
Ein Kolben eines Viertakt-Verbrennungsmotors (internal combustion engine), ICE, führt in einem Zylinder des ICE vier Takte aus, einen Einlasstakt, einen Verdichtungstakt, einen Arbeitstakt, und einen Ausstoßtakt. Ein herkömmlicher Viertakt-ICE weist dieselbe geometrische Verdichtungsrate und Ausdehnungsrate auf, d. h. der Verdichtungstakt weist dieselbe Länge auf wie der Arbeitstakt. Das Arbeitsmedium wird während des Kompressionstakts ausgehend vom unteren Totpunkt (bottom dead center), BDC, des Kolbens zum oberen Totpunkt (top dead center), TCD, komprimiert. Eine bestimmte Energiemenge wird um den TDC herum hinzugefügt, wenn das Arbeitsmedium verbrennt. Danach wird das Arbeitsmedium während des Arbeitstakts ausgedehnt. Da die Arbeitsweise des herkömmlichen ICE dieselbe geometrische Kompressionsrate und Ausdehnungsrate umfasst, verbleibt immer noch viel Leistung in dem Zylinder, wenn der Kolben den BDC erreicht. Dies ist eine inhärente Eigenschaft des konventionellen ICE. Die im Zylinder verbleibende Leistung entspricht bei großer Last etwa 30 % einer Nennleistung und kann theoretisch beispielsweise in einer Turbine entnommen werden, die mit einer Auslassanordnung des Zylinders verbunden ist. Die Nennleistung eines ICE ist die Leistung, die an einer Ausgangswelle/Kurbelwelle des ICE verfügbar ist.
Die Auslassanordnung eines ICE muss während des Arbeitstakts geöffnet werden, bevor der Kolben seinen BDC erreicht. Andernfalls, falls die Auslassanordnung später öffnen würde, beispielsweise wenn der Kolben den BDC erreicht, würde der interne Druck der Abgase (Arbeitsmedium) innerhalb des Zylinders die Bewegung des Kolbens auf den TDC zu während des Ausstoßtakts behindern. Folglich würde die verfügbare Motorleistung verringert werden.
Die Auslassanordnung eines herkömmlichen Viertakt-ICE umfasst zumindest ein Tellerventil. Ein Tellerventil ist eine zuverlässige und haltbare Lösung, und es ist in der Lage, einem Zylinderdruck von 25 MPa und einer Zylindergastemperatur von mehr als 2000 K standzuhalten, während es gasdicht bleibt. Ein Tellerventil, das von einer Nockenwelle gesteuert wird, hat jedoch einen Nachteil dahingehend, dass es sich in einer Ruheposition befindet, wenn es damit beginnt, zu öffnen, was eine niedrige anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit des Tellerventils mit sich bringt. Daher drosselt das Tellerventil einen Ausfluss von Abgas durch die Auslassanordnung. Zumindest eine erste Menge von Abgas in dem Zylinder fließt durch das Tellerventil hindurch, während es öffnet, und wird gedrosselt, bevor das Tellerventil eine große Öffnung für ein Hindurchtreten des Abgases bereitstellt. Dies verringert die verfügbare Energie in dem Abgas in einem nichtreversiblen Prozess. Anders ausgedrückt, ein Tellerventil erzeugt einen großen Prozentsatz eines irreversiblen Druckverlusts aufgrund einer Drosselung des Abgases, während es durch das Tellerventil hindurchtritt.
Wie oben angegeben wurde, kann ein ICE eine Turbine zur Nutzbarmachung eines Abgasdrucks zum Antreiben eines Turbinenrads der Turbine aufweisen. Aus der obigen Diskussion folgt, dass ein niedriger Abgasdruckverlust in einem Flusspfad von dem Zylinder zu der Turbine schwierig zu erzielen ist.
US 3 961 484 A offenbart einen ICE. Der ICE verwendet eine Leistungsrückgewinnungsturbine, die von den Abgasen der Motorzylinder betrieben wird, indem die Schächte, die die Auslassventilflächen mit der Turbine verbinden, derart bemessen werden, dass jeder Schacht eine Querschnittsflussfläche aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsflussfläche des Auslassventils, wenn dieses vollständig geöffnet ist. Während sich hieraus eine geringfügige Erhöhung von Reibungsverlusten in dem Schacht und Pumpverlusten zu den Kolben ergibt, werden derartige Verluste angeblich durch eine Verringerung von Drosselverlusten durch die Auslassventilflussfläche hindurch während des Ventilöffnungsvorgangs ausgeglichen.
Es bleibt jedoch nach wie vor das Drosselproblem bestehen, das damit zusammenhängt, dass das Tellerventil eine langsame Erhöhung einer Auslassventilflussfläche bereitstellt, was einem Tellerventil inhärent ist.
US 4 535 592 A offenbart einen Turbo-Verbund-ICE, der herkömmliche hin und her bewegbare Kolben, Zylinder, Verteiler, Kraftstoff-Sauerstoff-Zumischvorrichtung oder Kraftstoffeinspritzung, Zündungsvorrichtung oder Selbstzündung aufweist. Der ICE umfasst entsprechende Düsenmittel zum Befördern des Abgases von den entsprechenden Zylindern zu einer oder mehreren Turbinen. Einlass- und Auslassenden der Düsenmittel sind mit den entsprechenden Trennwandungen entsprechender Brennkammern oder Zylinder beziehungsweise mit dem Einlass zu einer Turbine verbunden. Ein schnell öffnendes Ventil lässt Abgas von den entsprechenden Zylindern zu den Düsenmitteln durch. Daher wird eine effiziente Nutzung von Abgas durch eine Turbine bereitgestellt, die mit dem Motor genutzt wird. Ein Tellerventil kann während eines Ausstoßtakts zu einem späteren Zeitpunkt öffnen, nachdem das meiste der nützlichen Abgasenergie durch das schnell öffnende Ventil und die Düse aufgewendet wurde.
Ein Problem mit dem schnell öffnenden Ventil ist es, dass es schwierig ist, eine Dichtung mit dem schnell öffnenden Ventil bereitzustellen, wobei die Dichtung in der Lage ist, der hohen Temperatur und dem Druck innerhalb der entsprechenden Zylinder standzuhalten.
DE 10 2010 008 264 A1 offenbart einen abgasturboaufgeladenen Verbrennungsmotor mit kleinem Hubraum. Die geringe Größe verringert einen Kraftstoffverbrauch, während eine Turboaufladung einer Verringerung der Leistung entgegenwirkt. In einem Verbrennungsmotor mit kleinem Hubraum ist insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, bei denen der Abgasfluss gering ist, lediglich eine geringe Energiemenge zum Antreiben des Turboladers verfügbar. Folglich stellt ein solcher Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen ein geringes Drehmoment bereit. DE 10 2010 008 264 A1 schlägt vor, dass die Abgasrohre über eine Abschaltvorrichtung zu der Abgasturbine des Turboladers führen. Die Abschaltvorrichtung wird derart gesteuert, dass ein entsprechendes Abgasrohr verschlossen wird, wenn das Auslassventil des entsprechenden Zylinders öffnet. Als Ergebnis des Verschließens des Abgasrohrs zuströmseitig der Abschaltvorrichtung wird ein Abgasdruck aufgebaut, beispielsweise bis zu 10 bar. Folglich wird ein Druckpuls zu der Abgasturbine geleitet, wenn die Abschaltvorrichtung öffnet. Der Druckpuls führt zu einem wirksamen Antrieb der Turbine und gestattet daher eine wirksame Aufladung.
Folglich wird ein höherer Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen erzielt, was vorteilhaft sein kann für einen Verbrennungsmotor mit geringem Hubraum. Das Aufbauen eines hohen Drucks in dem Abgasrohr zuströmseitig der Abschaltvorrichtung hat jedoch seinen Preis. Anstatt dass sich der Kolben in der relevanten Zylinderbohrung mit einem offenen Auslassventil ungehindert nach oben bewegen kann, trifft der Kolben auf Widerstand von der geschlossenen Abschaltvorrichtung und dem sich ergebenden Druckaufbau. Daher wird mehr Energie benötigt, um den Kolben in der Zylinderbohrung nach oben zu bewegen.
DE 34 12 283 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle, einer Zylinderanordnung und einer Turbine. Die Zylinderanordnung bildet eine Brennkammer aus. Ein Auslassventil ist dazu eingerichtet, eine Auslassöffnung der Brennkammer zu verschließen. Ferner wird ein zweites Ventil offenbart, das in einer Auslassleitung zwischen der Auslassöffnung zu einem Einlass der Turbine angeordnet ist.
EP 2 846 019 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang, in dem abgasseitig vor einer Auspuffanlage ein Absperrventil vorgesehen ist, wobei ferner stromaufwärts des Absperrventils in der Abgasstrang eine Abzweigung zu einer Abgasladepumpe vorgesehen ist.
Zusammenfassung
Es wäre vorteilhaft, einen Verbrennungsmotor (internal combustion engine), ICE, zu erzielen, der zumindest einige der obengenannten Nachteile überwindet oder zumindest abschwächt. Es wäre insbesondere wünschenswert, geringe Drosselverluste in einem Fluss eines Abgases von einem Zylinder des ICE zu ermöglichen, um einen großen Anteil an verbleibender Energie in den Abgasen in einer Turbine nutzbar zu machen, die mit einer Auslassöffnung des ICE verbunden ist. Um einem oder mehreren dieser Belange Rechnung zu tragen, werden ein ICE, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern eines ICE bereitgestellt, die die in den unabhängigen Ansprüchen definierten Merkmale aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verbrennungsmotor, ICE, bereitgestellt, der eine Kurbelwelle, zumindest eine Zylinderanordnung und eine Turbine umfasst. Die zumindest eine Zylinderanordnung bildet eine Brennkammer aus, und umfasst eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung zwischen einem oberen Totpunkt (top dead center), TDC, und einem unteren Totpunkt (bottom dead center), BDC, hin und her zu bewegen, ein Auslassventil und eine Auslassöffnung, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Auslassventil einen Ventilkopf umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz der Auslassöffnung abzudichten. Eine Auslassleitung erstreckt sich von der Auslassöffnung zu einem Einlass der Turbine. Der Verbrennungsmotor umfasst ein zweites Ventil, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung zu schließen und zu öffnen, wobei das zweite Ventil geöffnet wird, nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen. Das zweite Ventil weist eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit auf als das Auslassventil, wobei innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen, das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen.
Da der ICE ein zweites Ventil umfasst, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleistung zu schließen und zu öffnen, und innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen, geöffnet wird, wird der Druck zwischen der Zylinderbohrung und der Auslassleitung zuströmseitig des zweiten Ventils ausgeglichen, zumindest zu einem bestimmten Grad, bevor das zweite Ventil öffnet. Ferner sind die Abgase einer geringeren Drosselung ausgesetzt, wenn sie durch das zweite Ventil zu der Turbine hindurchtreten, als wenn sie durch das Auslassventil hindurchtreten, da das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil. Daher kann ein vergleichsweise großer Prozentsatz der verfügbaren Energie der Abgase in der Turbine rückgewonnen werden, die mit der Auslassleitung verbunden ist. Im Ergebnis wird die obengenannte Aufgabe gelöst.
Genauer gesagt erhöht sich der Druck in einem ersten Abschnitt der Auslassleitung bis zu dem geschlossenen zweiten Ventil graduell, da das Auslassventil vor dem zweiten Ventil öffnet, vorzugsweise bis der Druck zwischen der Zylinderbohrung und dem ersten Abschnitt der Auslassleistung im Wesentlichen ausgeglichen wurde. Daher kann ein Abgasfluss durch das Auslassventil hindurch während einer anfänglichen Phase eines Öffnens des Auslassventils stattfinden, wenn die Turbine von einer Verbindung mit dem Auslassventil durch das zweite Ventil getrennt wird. Sobald das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen, wird das Auslassventil zu einem solchen Grad geöffnet worden sein, dass die Abgase im Wesentlichen ungehindert durch die Auslassöffnung hindurch fließen. Da das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil, erreichen die Abgase die Turbine mit einer geringeren Drosselung, als für den Fall, dass kein zweites Ventil vorhanden wäre und die Auslassöffnung unmittelbar über die Auslassleistung mit der Turbine in Verbindung stünde.
Daher kann das Auslassventil dazu eingerichtet sein, den hohen Drücken und Temperaturen während der Verbrennung innerhalb der Zylinderbohrung standzuhalten, während das zweite Ventil von den hohen Drücken und Temperaturen geschützt in der Auslassleitung angeordnet ist, und es daher nicht dazu eingerichtet sein muss, denselben hohen Drücken und Temperaturen standzuhalten. Stattdessen kann das zweite Ventil für ein schnellen Öffnen eingerichtet sein, um eine verlustarme Übertragung der Abgase zu der Turbine bereitzustellen.
Die Abgase, die in dem Zylinder am Ende des Arbeitstakts und am Anfang des Ausstoßtakts vorhanden sind, werden für eine Entnahme der darin verbleibenden Energie mit deutlich geringeren irreversiblen Verlusten verfügbar sein, als dies in Verbindung mit einem ICE möglich war, in dem die Abgase durch ein Auslassventil hindurch gedrosselt wurden, wenn sie direkt durch eine Auslassleitung zu einer Turbine hindurchtraten. Daher kann in einem ICE gemäß der vorliegenden Erfindung eine Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen in der Turbine ermöglicht werden, die abströmseitig des Auslassventils angeordnet ist. Diese effiziente Übertragung der Abgase von dem Zylinder zu der Turbine wird durch das schnell öffnende zweite Ventil erzielt, das die irreversiblen Drosselungsverluste deutlich verringert, die üblicherweise durch das Auslassventil eines ICE hindurch auftreten, in dem die Auslassventile direkt mit der Turbine verbunden ist.
Folglich stellt die Erfindung eine erhöhte Nutzbarmachung der Energie bereit, die in dem Zylinder am Ende des Arbeitstakts verfügbar ist. Die Erfindung bringt die Möglichkeit mit sich, eine Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen im Vergleich zu einem ICE zu erhöhen, die andernfalls in einem nichtreversiblen Drosselungsvorgang durch das Auslassventil hindurch verschwendet worden wäre.
Diese erhöhte rückgewonnene Energie kann dazu verwendet:

- die Arbeit zu erhöhen, die von der Turbine an einen Zentrifugalkompressor übertragen wird, um die positive Pumparbeit während einer Induktion zu verbessern, d. h. eine erhöhte Open-Cycle-Effizienz, OCE, oder um ein relatives Luft-/KraftstoffVerhältnis, λ, zu erhöhen, d. h. eine erhöhte Closed-Cycle-Effizienz, CCE.
- eine bestimmte Turbine anzutreiben, die Leistung an eine Elektromotor/Generatoreinheit (electrical motor/generator unit), MGU, liefert, die mit einer Welle der Turbine verbunden ist, oder an die Kurbelwelle des ICE, d. h. Turboverbund (turbo compounding), oder an Hilfsvorrichtungen, beispielsweise eines relevanten Fahrzeugs.

Mehrere der obengenannten Alternativen zur Nutzbarmachung der erhöhten rückgewonnene Energie können gleichzeitig verwendet werden, beispielsweise die Kombination einer Turboaufladung mit einem Turboverbund (elektrisch oder mechanisch), umgesetzt mit der Verwendung einer Turbine. Ferner wird die negative Kolbenpumparbeit während des Arbeitstakts beseitigt oder zumindest deutlich verringert werden, was zu einer erhöhten OCE führt. Zusammenfassend wird die vorliegende Erfindung zu einer Erhöhung der thermischen Nenneffizienz (Brake Thermal Efficiency), BTE, im Vergleich zu einem ICE führen, in dem Auslassventile direkt mit der Turbine über die Auslassleitung verbunden sind.
Der ICE kann ein Viertakt-ICE oder ein Zweitakt-ICE sein. Der ICE kann mehr als eine Zylinderanordnung umfassend, wobei jede Zylinderanordnung eine Brennkammer ausbildet und eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der in der Zylinderbohrung angeordnet ist und sich hin und her bewegt, eine Pleuelstange, die den Kolben mit einer Kurbelwelle verbindet, und ein Auslassventil für einen Ausfluss von Abgas aus der Zylinderbohrung umfasst. Der ICE kann mehr als eine Turbine umfassen, wie beispielsweise zwei Turbinen, oder eine Turbine für jede Zylinderanordnung des ICE. In dem Fall zweier Turbinen können die Auslassventile einer Anzahl von Zylinderanordnungen mit einer Turbine verbunden sein, und die Auslassventile der verbleibenden Zylinderanordnungen können mit der anderen Turbine verbunden sein. Die Turbine kann zum Beispiel einen Teil eines Turboladers ausbilden, der ICE kann ein Turboverbundmotor sein, mit dem die Turbine über die Kurbelwelle verbunden ist, oder die Turbine kann einen elektrischen Generator antreiben.
Der Begriff Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der ein Ventil öffnet, d. h. die Änderung der Öffnungsfläche eines Ventils pro Zeiteinheit, zum Beispiel m²/Sekunde. Die Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit kann linear oder nichtlinear sein, zum Beispiel steigend. Dass das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil bedeutet, dass das zweite Ventil eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit zu dem Moment aufweist, wenn das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen, als die Öffnungsgeschwindigkeit des Auslassventils, wenn es damit beginnt, zu öffnen. Auf dieses Weise sind Drosselungsverluste durch das zweite Ventil hindurch geringen im Vergleich zu Drosselungsverlusten durch das Auslassventil hindurch, falls das Auslassventil direkt mit einer Turbine verbunden wäre, wie in einer ICE gemäß dem Stand der Technik.
Die Brennkammer ist innerhalb der Zylinderanordnung angeordnet, oberhalb des Kolbens. Einlassluft tritt durch eine Einlassanordnung der Zylinderanordnung während des Einlasstakts des Kolbens in die Brennkammer ein. Die Einlassluft kann von einem Turbolader komprimiert sein. Der Verbrennungsmotor kann zum Beispiel ein Selbstzünder-(compression ignition, CI)-Motor, wie beispielsweise ein Dieselmotor, oder ein Zündfunkenmotor, wie beispielsweise ein Motor vom Otto-Type, sein, und er umfasst in letzterem Fall eine Zündkerze oder eine ähnliche Vorrichtung in der Zylinderanordnung. Kraftstoff kann in die Brennkammer hinein während eines Teils des Verdichtungstakts oder Einlasstakts des Kolbens eingespritzt werden, oder er kann von der Einlassluft mitgeführt sein. Der Kraftstoff kann nahe des TDC zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt des Kolbens zünden.
Gemäß Ausführungsformen bildet die zumindest eine Zylinderanordnung eine Brennkammer aus, wobei die Zylinderanordnung ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens und einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer aufweist. Das zweite Ventil ist an einer Position in der Auslassleitung innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 25 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung angeordnet, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 15 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung. Auf diese Weise kann ein Volumen eines ersten Abschnitts der Auslassleitung zwischen dem Auslassventil und dem zweiten Ventil ein Volumen aufweisen, das einen Druckausgleich, zumindest zu einem hohen Grad, zwischen der Brennkammer und dem ersten Abschnitt der Auslassleistung gestattet, bevor das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen. Dass das zweite Ventil an einer Position in der Auslassleitung angeordnet ist, ausgedrückt durch ein bestimmtes Volumen, bedeutet, dass das bestimmte Volumen, in diesem Fall definiert in Prozent des maximalen Volumens der Brennkammer, in der Auslassleistung zwischen der Auslassöffnung und dem zweiten Ventil bereitgestellt ist.
Gemäß Ausführungsformen kann das zweite Ventil einen Ventilkörper umfassen, wobei der Ventilkörper einen flussdurchlässigen Abschnittsbereich, in dem ein Fluss eines Abgases durch das zweite Ventil hindurchtritt, und einen Null-Fluss-Abschnittsbereich umfassen kann, in dem die Auslassleitung bei dem zweiten Ventil geschlossen ist, und wobei der Ventilkörper dazu eingerichtet ist, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. Auf diese Weise kann das zweite Ventil eine hohe Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellen. Im Vergleich zu einem Tellerventil, das aus einer Ruheposition heraus beschleunigt werden muss, wenn es geöffnet wird, kann der Ventilkörper, der sich in Bewegung befindet, eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Verbrennungsmotor gemäß einem der Aspekte und/oder gemäß einer der Ausführungsformen umfasst, die hierin beschrieben sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors bereitgestellt, wobei der Verbrennungsmotor zumindest eine Zylinderanordnung, eine Kurbelwelle und eine Turbine umfasst, wobei die zumindest eine Zylinderanordnung eine Brennkammer ausbildet und eine Zylinderbohrung, einen Kolben, der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her zu bewegen, eine Pleuelstange, die den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet, ein Auslassventil und eine Auslassöffnung umfasst, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Auslassventil einen Ventilkopf umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz der Auslassöffnung abzudichten, wobei sich eine Auslassleitung von der Auslassöffnung zu einem Einlass der Turbine erstreckt, wobei der Verbrennungsmotor ein zweites Ventil umfasst, das in der Auslassleitung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung zu schließen und zu öffnen. Das Verfahren umfasst in der angegebenen Reihenfolge die Schritte:

- Öffnen des Auslassventils,
- Drehen der Kurbelwelle um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad, und danach
- Öffnen des zweiten Ventils bei einer höheren Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit als das Auslassventil.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich ergeben, wenn die beigefügten Ansprüche sowie die folgende ausführliche Beschreibung betrachtet werden.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich ihrer speziellen Merkmale und Vorteile, werden anhand der beispielhaften Ausführungsformen einfach verständlich sein, die in der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen erläutert werden, in denen:

1 stellt schematisch einen Verbrennungsmotor, ICE, gemäß Ausführungsformen dar,
2 stellt schematisch eine Zylinderanordnung eines ICE 2 dar,
3a bis 3c stellen schematisch Querschnitte durch ein zweites Ventil gemäß Ausführungsformen dar,
4a bis 4e stellen alternative Ausführungsformen eines zweiten Ventils dar,
5 und 6 stellen Ausführungsformen von ICEs mit mehr als einer Zylinderanordnung dar,
7 zeigt ein schematisches Beispiel eines Turbinendiagramms einer Turbine dar, und
8 stellt ein Verfahren zum Steuern eines ICE dar.
9 stellt schematisch ein Öffnen und Schließen eines Auslassventils und eines zweiten Ventils dar.

Ausführliche Beschreibung
Aspekte und/oder Ausführungsformen der Erfindung werden nur vollständiger beschrieben. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente. Bekannte Funktionen und Konstruktionen werden aus Gründen der Kürze und/oder Klarheit nicht zwingend detailliert beschrieben.
1 stellt schematisch einen Verbrennungsmotor, ICE, 2 gemäß Ausführungsformen dar. In diesen Ausführungsformen ist der ICE 2 ein Viertakt-ICE. Der ICE 2 umfasst zumindest eine Zylinderanordnung 4, eine Kurbelwelle 20 und eine Turbine 8. 1 stellt auch ein Fahrzeug 1 schematisch dar, das einen Verbrennungsmotor 2 gemäß einem Aspekt und/oder einer Ausführungsform umfasst, wie sie hierin offenbart sind. Das Fahrzeug 1 kann zum Beispiel ein schweres Fahrzeug wie beispielsweise ein Lastwagen oder ein Bus sein.
Die zumindest eine Zylinderanordnung 4 bildet eine Brennkammer 23 aus und umfasst eine Zylinderbohrung 12, einen Kolben 10, eine Auslassanordnung 14, eine Einlassanordnung 16 und eine Kraftstoffeinspritzanordnung 18 und/oder eine Zündungsvorrichtung. Der Kolben 10 ist dazu eingerichtet, sich in der Zylinderbohrung 12 zwischen einem oberen Totpunkt (top dead center), TDC, und einem unteren Totpunkt (bottom dead center), BDC, hin und her zu bewegen. In 1 ist der Kolben 10 mit durchgezogenen Linien am BDC dargestellt und mit gestrichelten Linien am TDC. Die Zylinderanordnung 4 weist ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen dem BDC des Kolbens 10 und einer oberen inneren begrenzenden Oberfläche 24 der Brennkammer 23 auf. Die Brennkammer 23 ist oberhalb des Kolbens 10 innerhalb der Zylinderanordnung 4 ausgebildet. Eine Pleuelstange 22 verbindet den Kolben 10 mit der Kurbelwelle.
Die Zylinderanordnung 4 weist ein gesamtes überstrichenes Volumen , VS, in der Zylinderbohrung 12 zwischen dem BDC und dem TDC des Kolbens 10 auf. Die Zylinderanordnung 4 weist ein Verdichtungsverhältnis, ε, auf. V_MAX kann ausgedrückt werden als: $V_{MAX} = V_{S} * (ε / (ε - 1)) .$
Die Auslassanordnung 14 umfasst ein Auslassventil und eine Auslassöffnung, wie unten mit Bezug auf 2 beschrieben wird. Die Auslassanordnung 14 ist zum Auslassen von Abgasen aus der Zylinderbohrung 12 zu der Turbine 8 eingerichtet. Eine Auslassleitung 6 erstreckt sich von der Auslassöffnung zu einem Einlass 29 der Turbine 8. Der ICE 2 umfasst ein zweites Ventil 40, das in der Auslassleitung 6 angeordnet ist. Die Auslassanordnung 14 ist dazu eingerichtet, eine Auslassflussfläche, A_CYL, der Auslassöffnung während einer Auslasssequenz der Kolbenbewegung zu öffnen und zu schließen. Die Auslasssequenz kann beginnen, bevor der Kolben 10 seinen BDC während des Arbeitstakts erreicht, und endet etwa am TDC des Kolbens zwischen dem Arbeitstakt und dem Einlasstakt.
Die Turbine 8 weist einen Einlass 29 auf und umfasst ein Turbinenrad 27.
2 stellt schematisch die zumindest eine Zylinderanordnung 4 des ICE 2 der 1 dar. Insbesondere ist die Auslassanordnung 14 genauer dargestellt. Die Auslassanordnung 14 umfasst ein Auslassventil 26 und eine Auslassöffnung 28. Die Abgase verlassen die Brennkammer 23 durch die Auslassöffnung 28, sobald das Auslassventil 26 damit beginnt, zu öffnen. Die Auslassleitung 6 erstreckt sich von der Auslassöffnung 28 zu dem Einlass 29 der Turbine 8. Das Auslassventil 26 umfasst einen Ventilkopf 30, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz 32 abzudichten, der sich um die Auslassöffnung 28 herum erstreckt. Der Ventilsitz 32 kann in der Zylinderanordnung 4 bereitgestellt sein, beispielsweise an der oberen inneren begrenzenden Oberfläche 24 der Brennkammer 23. Das Auslassventil 26 kann ein Tellerventil sein, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Auf diese Weise wird eine zuverlässige und haltbare Lösung bereitgestellt, die in der Lage ist, einem Zylinderdruck von bis zu 25 MPa und mehr und einer Zylindergastemperatur von mehr als 2000 K standzuhalten, während sie eine gasdichte Dichtung der Auslassöffnung 28 während des Verbrennungstakts bereitstellt.
Der ICE 2 kann eine Nockenwelle 25 zum Steuern einer Bewegung des Auslassventils 26 sowie eines Öffnens und Schließens des Auslassventils umfassen. Die Nockenwelle 25 umfasst einen Nocken 34, der dazu eingerichtet ist, eine Bewegung des Ventilkopfes 30 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 28 zu bewirken. Wenn sich die Nockenwelle 25 dreht, folgt der Endabschnitt 36 des Auslassventils 26 dem Nocken, was die Bewegung des Ventilkopfes 30 bewirkt. Das Auslassventil 26 kann zu seiner geschlossenen Position hin vorgespannt sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise mittels einer Feder (nicht gezeigt).
Gemäß Ausführungsformen, in denen der ICE 2 ein Viertakt-ICE ist, kann die Einlassanordnung 16 ein Einlassventil 42 umfassen, dessen Bewegungen von einer Nockenwelle 44 in ähnlicher Weise gesteuert werden wie für das Auslassventil 26, wie dies in 2 gezeigt ist. Gemäß Ausführungsformen, in denen der ICE 2 ein Zweitakt-ICE ist, kann stattdessen eine Einlassöffnung in die Zylinderbohrung 12 vorgesehen sein, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Das Einlassventil 42 oder die Einlassöffnung ist von dem Auslassventil 26 getrennt ausgebildet. Dies bedeutet, dass Einlassgas durch das Einlassventil 42 oder die Einlassöffnung unmittelbar in die Zylinderbohrung 12 hinein fließt und nicht durch das Auslassventil 26 hindurchtritt, und dass die Abgase unmittelbar aus der Zylinderbohrung 12 durch das Auslassventil 26 hindurchtreten und nicht durch das Einlassventil 42 oder die Einlassöffnung hindurchtreten.
Der ICE 2 umfasst ein zweites Ventil 40, das in der Auslassleitung 6 angeordnet ist. Das zweite Ventil 40 ist dazu eingerichtet, die Auslassleitung 6 zu schließen und zu öffnen. Das zweite Ventil 40 wird geöffnet, nachdem das Auslassventil 26 damit begonnen hat, zu öffnen, innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil damit begonnen hat, zu öffnen. Das zweite Ventil 40 weist eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit auf als das Auslassventil 26. Auf diese Weise sind Abgase einer geringen Drosselung ausgesetzt, wenn sie durch das zweite Ventil 40 hindurchtreten, im Vergleich dazu, wenn die durch ein Auslassventil in einem herkömmlichen ICE ohne zweites Ventil in der Auslassleitung hindurchtreten. Weniger Drosselung bedeutet, dass mehr Energie für eine Rückgewinnung aus den Abgasen in der Turbine 8 verfügbar ist, die mit der Auslassleitung 6 verbunden ist.
Wenn das Auslassventil 26 damit beginnt, zu öffnen, erhöht sich ein Druck in einem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 von der Auslassöffnung 28 zu dem zweiten Ventil 40 graduell, bevor das zweite Ventil damit beginnt, zu öffnen. Geeigneter Weise ist der Druck in der Zylinderbohrung 12 und in dem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6im Wesentlichen gleich, bevor das zweite Ventil 40 damit beginnt, zu öffnen. Da das zweite Ventil 40 geschlossen wird, während das Auslassventil 26 damit beginnt, zu öffnen, wirken sich Abgase, die während der anfänglichen Phase eines Öffnens des Auslassventils 26 durch das Auslassventil 26 hindurchströmen, nicht auf die Übertragung von Abgasen an die Turbine 8 aus. Die höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit des zweiten Ventils 40 im Vergleich zu dem Auslassventil 26 stellt eine effiziente Übertragung der Abgase durch einen zweiten Abschnitt 62 der Auslassleitung 6 zu der Turbine sicher. Der zweite Abschnitt 62 der Auslassleitung 6 erstreckt sich von dem zweiten Ventil 40 zu dem Einlass 29 der Turbine 8.
9 stellt schematisch das Öffnen und Schließen des Auslassventils 26 und des zweiten Ventils 40 dar. Ein vollständiger Viertakt-Zyklus eines Viertakt-ICE 2 ist entlang der Achse in 9 dargestellt. Das Auslassventil 26 und das zweite Ventil 40 werden mit derselben Frequenz geöffnet und geschlossen, d. h. das Auslassventil 26 und das zweite Ventil 40 öffnen gleich oft während eines Betriebs des ICE 2. Sie bleiben jedoch während Zeitdauern von unterschiedlicher Länge geöffnet. Zum Beispiel kann, da das Auslassventil 26 vor dem zweiten Ventil 40 öffnet, das Auslassventil 26 für eine längere Zeitdauer geöffnet bleiben als das zweite Ventil 40, um es sämtlichen Abgasen zu gestatten, die Brennkammer 23 zu verlassen. Dies ist anhand der durchgezogenen Linie in 9 dargestellt. Das zweite Ventil 40 kann gleichzeitig mit dem Auslassventil 26 schließen, wie dies anhand der durchgezogenen Linie in 9 dargestellt ist. Alternativ kann das zweite Ventil 40 später schließen als das Auslassventil, was in 9 anhand der gestrichelten Linie dargestellt ist. Selbstverständlich muss das zweite Ventil 40 geschlossen werden, wenn das Auslassventil 26 damit beginnt, wieder zu öffnen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das zweite Ventil 40 eine Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit > 0,75 m²/s aufweisen. Auf diese Weise kann ein schnelleres Öffnen des zweiten Ventils als durch das Auslassventil 26 bereitgestellt werden, und eine effiziente Rückgewinnung von Energie aus den Abgasen in der Turbine 8 kann erzielt werden, die abströmseitig des zweiten Ventils 40 angeordnet ist. Die Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit kann während des Öffnens des zweiten Ventils 40 variieren. Zum Beispiel kann sich die Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit während des Öffnens des zweiten Ventils 40 erhöhen.
Mit Bezug auf 1 und 2 kann das zweite Ventil 40 an einer Position in der Auslassleitung innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 25 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung angeordnet sein, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 15 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung. Dies bedeutet, dass der erste Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 ein Volumen innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 25 % des maximalen Volumens, V_MAX, oder gemäß alternativen Ausführungsformen innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 15 % des maximalen Volumens, V_MAX, aufweist. Daher weist das Volumen des ersten Abschnitts 60 der Auslassleitung 6 ein Volumen im Verhältnis zu V_MAX auf, das einen Druckausgleich zwischen der Brennkammer 23 und dem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 gestattet, bevor das zweite Ventil 40 damit beginnt, zu öffnen, zumindest zu einem großen Teil. Anders ausgedrückt, das zweite Ventil 40 wird geöffnet, wenn der Druckausgleich zwischen der Zylinderbohrung und dem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 zu einem erheblichen Grad stattgefunden hat. Ferner wird das zweite Ventil 40 geöffnet, wenn das Auslassventil 26 eine hinreichende Fläche freigegeben hat, um keine merkliche Drosselung der Abgase zu erzeugen, wenn das zweite Ventil 40 geöffnet wird.
Innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil 26 damit begonnen hat, zu öffnen, beginnt das zweite Ventil 40 damit, zu öffnen, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 10 bis 40 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil 26 damit begonnen hat, zu öffnen, oder innerhalb eines Bereichs von 30 bis 40 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil 26 damit begonnen hat, zu öffnen. Auf diese Weise wird ein Druckausgleich zwischen der Brennkammer 23 und dem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 gestattet, bevor das zweite Ventil 40 damit beginnt, zu öffnen, zumindest zu einem großen Teil. Geeigneter Weise wird das zweite Ventil 40 nicht mehr als 10 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem BDC geöffnet.
Wie oben erwähnt wurde, bildet die zumindest eine Zylinderanordnung 4 eine Brennkammer 23 aus, und die Zylinderanordnung 4 weist ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens 10 und einer oberen inneren begrenzenden Oberfläche 24 der Brennkammer 23 auf. Gemäß Ausführungsformen weist der Einlass 29 der Turbine eine Turbineneinlassfläche, A_TIN, auf, wobei die Auslassleitung 6 ein Auslassleitungsvolumen, V_EXH, aufweist, das sich von der Auslassöffnung 28 zu der Turbineneinlassfläche, A_TIN, erstreckt, und wobei das Auslassleitungsvolumen, V_EXH ≤ 0,5-mal das maximale Volumen, V_MAX, ist. Auf diese Weise kann die Auslassleitung 6 ein Volumen aufweisen, das geeignet ist zum effizienten Übertragen der Abgase an die Turbine 8. Genauer gesagt weist aufgrund des obengenannten Volumens des ersten Abschnitts 60 der Auslassleitung 6, aufgrund dessen der zweite Abschnitt 62 der Auslassleitung 62 ein Volumen innerhalb eines Bereichs von 75 % bis 99 % von V_MAX aufweist, der zweite Abschnitt 62 ein Volumen auf, dass dazu geeignet ist, die Abgase effizient von dem zweiten Ventil 40 zu der Turbine 8 zu übertragen und daher die Turbine 8 effizient anzutreiben.
Die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, ist an einer Öffnung eines Gehäuses der Turbine vorgesehen, durch die Abgase zu dem Turbinenrad 27 durchgelassen werden. Die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, kann geeigneter Weise die Düsenhalsfläche der Turbine 8 sein. Die Düsenhalsfläche kann auch als Turbinengehäusehalsfläche, kritische Turbinengehäusefläche oder dergleichen bezeichnet werden, und sie kann oftmals für eine bestimmte Turbine angegeben sein. Falls der Düsenhals für eine bestimmte Turbine nicht angegeben ist und/oder falls die Position der Düsenhalsfläche nicht angegeben ist, erstreckt sich die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, senkrecht zu einer Flussrichtung des Abgases. In Ausführungsformen von Turbinen, in denen sich die Auslassleitung entlang eines Abschnitts des Turbinenrads erstreckt, beispielweise in einer Schnecke, wie beispielsweise in einem Twin-Scroll-Turbolader, ist die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, definiert als der Abschnitt der Auslassleitung, in dem das Turbinenrad den Abgasen zuerst ausgesetzt ist, die von der relevanten Zylinderanordnung ausgehen.
Wie oben erwähnt wurde, ist die Auslassanordnung 14 dazu eingerichtet, eine Auslassflussfläche, A_CYL, der Auslassöffnung 28 während einer Auslasssequenz zu öffnen und zu schließen. Die Auslassleitung 6 verbindet die Auslassöffnung 28 mit der Turbine 8. Die Auslassleitung 6 weist ein Auslassleitungsvolumen, V_EXH, auf. In 1 ist das Auslassleitungsvolumen, V_EXH, als Kasten dargestellt. In der Praxis erstreckt sich die Auslassleitung 6 zwischen der Auslassflussfläche, A_CYL, und der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, auf beiden Seiten des zweiten Ventils 40. Folglich ist das Auslassleitungsvolumen, V_EXH, von dem Volumen der Auslassleitung zwischen der Auslassflussfläche, A_CYL, und der Auslassöffnung 28 der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, gebildet.
Gemäß diesen Ausführungsformen verbindet die Auslassleitung 6 lediglich die Auslassöffnung fluidisch mit dem Einlass 29 der Turbine. Dies bedeutet, dass die Auslassleitung 6 eine separate Leitung ausbildet, die sich zwischen der Auslassflussfläche, A_CYL, und der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, erstreckt. Die separate Leitung muss keine weiteren Einlässe oder Auslässe für Abgase aufweisen. Daher ist die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, eine speziell vorgesehene Einlassfläche der Turbine 8 für die bestimmte Auslassflussfläche, A_CYL, die damit über die Auslassleitung 6 verbunden ist.
Das Turbinenrad 27 der Turbine kann mit einem Laufrad (nicht gezeigt) zum Komprimieren und Fördern einer Einlassluft in die Einlassanordnung 16 verbunden sein. Gemäß einiger Ausführungsformen kann das Turbinenrad 27 ein axiales Turbinenrad sein. Eine Turbine 8, die ein axiales Turbinenrad umfasst, kann einen geringen Gegendruck aufweisen. Gemäß Ausführungsformen kann das Turbinenrad jedoch ein radiales Turbinenrad sein, das ebenfalls einen geringen Gegendruck aufweisen kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Zylinderanordnung 4 ein gesamtes überstrichenes Volumen, V_S, in der Zylinderbohrung 12 zwischen dem unteren Totpunkt, BDC, und dem oberen Totpunkt, TDC, des Kolbens 10 aufweisen, wobei 0,3 < Vs < 4 Liter. Lediglich beispielsweise sei erwähnt, dass in dem unteren Bereich von V_S die Zylinderanordnung 4 einen Teil eines Verbrennungsmotors für ein Personenfahrzeug ausbilden kann, und dass in dem mittleren und oberen Bereich von Vs die Zylinderanordnung 4 einen Teil eines Verbrennungsmotors für ein schweres Fahrzeug wie beispielsweise einen Lastwagen, einen Bus oder ein Baufahrzeug ausbilden kann. Auch in dem oberen Bereich von V_S kann die Zylinderanordnung 4 einen Teil eines Verbrennungsmotors beispielsweise einen Generatorsatz (genset), für eine Verwendung in der Seefahrt, oder für eine schienengebundene Verwendung (Zug) ausbilden.
3a bis 3c stellen schematisch Querschnitte durch ein zweites Ventil 40, das in einer Auslassleitung 6 angeordnet ist, gemäß Ausführungsformen dar. Die Auslassleitung 6 und das zweite Ventil 40 veranschaulichen ein Beispiel der Auslassleitung 6 und des zweiten Ventils 40 der 1 und 2.
Das zweite Ventil 40 umfasst einen Ventilkörper 64, der in einem Ventilgehäuse 66 angeordnet ist. Der Ventilkörper 64 weist eine Durchgangsöffnung 68 auf. Der Ventilkörper 64 ist in dem Ventilgehäuse 66 derart bewegbar, dass die Durchgangsöffnung 68 entweder eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Abschnitt 60 der Auslassleitung 6 und dem zweiten Abschnitt 62 der Auslassleitung 6 auf beiden Seiten des zweiten Ventils 40 bereitstellt, oder dass der Ventilkörper 64 eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Abschnitt 60 und dem zweiten Abschnitt 62 der Auslassleitung 6 verhindert.
Anders ausgedrückt weist der Ventilkörper 64 einen flussdurchlässigen Abschnittsbereich, in dem ein Fluss eines Abgases durch das zweite Ventil 40 hindurchtritt, und einen Null-Fluss-Abschnittsbereich, in dem die Auslassleitung 6 bei dem zweiten Ventil 40 geschlossen ist. In 3a ist der Ventilkörper 64 innerhalb des Null-Fluss-Abschnittsbereichs angeordnet dargestellt. Der Null-Fluss-Abschnittsbereich umfasst sämtliche Positionen des Ventilkörpers 64, in denen ein Fluss durch das zweite Ventil 40 hindurch verhindert wird. In 3b hat der Ventilkörper 64 den Anfang des flussdurchlässigen Abschnittsbereichs erreicht, d. h. gerade dann, wenn das zweite Ventil 40 damit beginnt, zu öffnen, verbindet die Durchgangsöffnung 68 den ersten und den zweiten Abschnitt 60, 62 der Auslassleitung 6 fluidisch. In 3c ist der Ventilkörper 64 auch innerhalb des flussdurchlässigen Abschnittsbereichs dargestellt, wobei die Durchgangsöffnung 68 eine Position erreicht hat, in der das zweite Ventil 40 vollständig geöffnet ist. Folglich befindet sich der Ventilkörper 64 innerhalb des flussdurchlässigen Abschnittsbereichs, solange die Durchgangsöffnung den ersten und den zweiten Abschnitt 60, 62 der Auslassleitung 6 fluidisch verbindet.
Wie anhand von 3a geschlussfolgert werden kann, und da der Ventilkörper 64 zusammen mit der Durchgangsöffnung 68 in einem Abstand von der Fluidleitung 6 angeordnet ist, ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper 64 den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. Dies bedeutet, dass der Ventilkörper 64 beschleunigt werden kann, während sich der Ventilkörper 64 innerhalb des Null-Fluss-Abschnittsbereichs befindet. Folglich kann der Ventilkörper eine beträchtliche Geschwindigkeit aufweisen, wenn der Ventilkörper 64 den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. Daher kann das zweite Ventil eine hohe Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellen, insbesondere im Vergleich zu einem Ventil, das aus einer Ruhelage heraus beschleunigt werden muss, wenn es geöffnet wird, beispielsweise ein Tellerventil. In einer alternativen Ausführungsform kann der Ventilkörper durchgehend in Bewegung sein, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, den Ventilkörper zu beschleunigen. Stattdessen kann der Ventilkörper mit einer Geschwindigkeit bewegt werden, die eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit bereitstellt als das Auslassventil. Dies kann in den untenstehenden Ausführungsformen gemäß 4a bis 4e erzielt werden.
3a bis 3c stellen die Funktionsweise des zweiten Ventils dar.
3a bis 3c stellen auch ein zweites Ventil 40 gemäß Ausführungsformen dar, in denen der Ventilkörper dazu eingerichtet ist, sich hin und her zu bewegen. Dies bedeutet, dass der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet ist, sich in dem Ventilgehäuse 66 linear vor und zurück zu bewegen. Wenn der Ventilkörper 64 sich hin und her bewegt, bewegt es sich zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich.
Alternative Ausführungsformen des zweiten Ventils 40, die eine hohe VentilflächenÖffnungsgeschwindigkeit bereitstellen, sind schematisch in 4a bis 4e dargestellt.
In den Ausführungsformen des zweiten Ventils gemäß 4a bis 4e ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, sich zu drehen.
Gemäß den Ausführungsformen gemäß 4a und 4b ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, sich um eine Drehachse 70 zu drehen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Auslassleitung 6 erstreckt. Dies bedeutet, dass die Drehachse 70 sich im Wesentlichen senkrecht zu der Durchgangsöffnung 68 erstreckt. Wenn sich der Ventilkörper 64 um die Drehachse 70 dreht, bewegt sich der Ventilkörper 64 von dem Null-Fluss-Abschnittsbereich zu dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich. In 4a ist der Ventilkörper 64 in dem Null-Fluss-Abschnittsbereich dargestellt. Wie oben beschrieben wurde, ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper 64 den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. In 4b ist der Ventilkörper 64 in dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich dargestellt. Der Ventilkörper 64 kann sich eine oder mehrere Umdrehungen weit drehen, wenn es sich zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich bewegt. Der Ventilkörper 64 kann kontinuierlich gedreht werden. Alternativ kann der Ventilkörper 64 hin und her schwenken, während er zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich bewegt wird.
4c zeigt einen Querschnitt entlang der Auslassleitung 6, während 4d und 4e Querschnitte senkrecht zu der Auslassleitung 6 durch das zweite Ventil 40 darstellen. In den Ausführungsformen gemäß 4c bis 4e ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, sich um eine Drehachse 72 zu drehen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Auslassleitung 6 erstreckt. Dies bedeutet, dass sich die Drehachse 70 im Wesentlichen fluchtend mit der Durchgangsöffnung 68 erstreckt. Wenn sich der Ventilkörper 64 um die Drehachse 72 dreht, bewegt sich der Ventilkörper 64 von dem Null-Fluss-Abschnittsbereich zu dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich. Wie oben beschrieben wurde, ist der Ventilkörper 64 dazu eingerichtet, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper 64 den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht. Der Ventilkörper 64 kann sich eine oder mehrere Umdrehungen weit drehen, wenn es sich zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich bewegt. Der Ventilkörper 64 kann kontinuierlich gedreht werden. Alternativ kann der Ventilkörper 64 hin und her schwenken, während er zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich bewegt wird.
In den Ausführungsformen gemäß 3a bis 4e wurde die Durchgangsöffnung 68 mit demselben Durchmesser dargestellt wie die Auslassleitung 6. In alternativen Ausführungsformen kann die Durchgangsöffnung 68 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Auslassleitung 6.
Gemäß alternativen Ausführungsformen muss der Ventilkörper 64 nicht mit einer Durchgangsöffnung versehen sein. Beispielsweise kann der Ventilkörper mit einer Vertiefung anstelle einer Durchgangsöffnung versehen sein. Eine weitere Alternative kann es darstellen, dass der Ventilkörper die Auslassleitung in dem Null-Fluss-Abschnittsbereich versperrt, und dass er in dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich zumindest teilweise aus der Auslassleitung heraus bewegt wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Bewegung des Ventilkörpers 64 von einer mechanischen Verbindung beispielsweise zu einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des ICE gesteuert werden, beispielsweise durch Zahnräder, eine Kette, einen Riemen oder einen Kipphebelmechanismus. Eine derartige mechanische Verbindung ist dazu eingerichtet, das Öffnen und Schließen des zweiten Ventils zeitlich mit den Takten des Kolbens in der Zylinderbohrung und derart abzustimmen, dass das zweite Ventil nach dem Auslassventil öffnet. Ein Malteserkreuzgetriebe (Geneva drive) kann einen Teil der mechanischen Verbindung ausbilden.
In der Ausführungsform gemäß 2 wird die Bewegung des zweiten Ventils 40, d. h. des Ventilkörpers des zweiten Ventils 40, von einer Steuereinheit 54 und einem elektrischen Motor 50 gesteuert. Die Steuereinheit 54 steuert den Elektromotor 50, um den Ventilkörper des zweiten Ventils 40 zwischen dem Null-Fluss-Abschnittsbereich und dem flussdurchlässigen Abschnittsbereich zu bewegen. Die Steuereinheit 54 stellt unter Verwendung eines Sensors 52, der mit der Steuereinheit 54 verbunden ist, eine Drehposition der Kurbelwelle 20 her. Daher ist die Steuereinheit 54 in der Lage, das Öffnen und Schließen des zweiten Ventils zum Beispiel mit dem Auslassventil 26 zeitlich abzustimmen. Die Steuereinheit 54 kann dazu eingerichtet sein, unterschiedliche Zeitvorgaben für ein Öffnen und/oder ein Schließen des zweiten Ventils 40 auf der Grundlage beispielsweise einer Drehzahl der Kurbelwelle 20, der gegenwärtigen Last an dem ICE 2 und/oder von Betriebsbedingungen des ICE 2 oder eines Fahrzeugs 1 bereitzustellen, in das der ICE 2 eingebaut ist. Der Elektromotor 50 kann unmittelbar mit dem Ventilkörper des zweiten Ventils 40 verbunden sein, oder über ein Getriebe oder andere Mechanismen, wie beispielsweise über ein Malteserkreuzgetriebe.
Die Steuereinheit 54 kann eine Berechnungseinheit umfassen, die im Wesentlichen die Gestalt eines beliebigen geeigneten Typs von Prozessorkreis oder Mikrocomputer annehmen kann, beispielsweise eines Kreises für digitale Datenverarbeitung (digital signal processor, DSP), einer zentralen Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU), einer Verarbeitungseinheit, eines Verarbeitungskreises, eines Prozessors, eine anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), eines Mikroprozessors oder einer anderen Prozessorlogik, die Anweisungen interpretieren und ausführen kann. Der hierin verwendete Begriff Berechnungseinheit kann eine Prozessorschaltung darstellen, der mehrere Prozessorkreise umfasst, wie beispielsweise eine, einige oder alle der oben genannten Möglichkeiten. Das Steuersystem kann eine Speichereinheit umfassen. Die Berechnungseinheit ist mit der Speichereinheit verbunden, die die Berechnungseinheit beispielsweise mit gespeichertem Programmcode und/oder mit gespeicherten Daten versorgt, die die Berechnungseinheit benötigt, um ihre Berechnungen durchführen zu können. Die Berechnungseinheit kann auch dazu eingerichtet sein, partielle oder endgültige Ergebnisses von Berechnungen in der Speichereinheit zu speichern. Die Speichereinheit kann eine physische Einheit umfassen, die dazu verwendet wird, Daten oder Programme auf einer vorübergehenden oder einen dauerhaften Grundlage zu speichern, d. h. Sequenzen von Anweisungen. Die Steuereinheit 54 kann dazu eingerichtet sein, weitere Funktionen des ICE 2 zu steuern, und sie kann zum Beispiel einen Teil eines Motorsteuersystems des ICE 2 ausbilden. Die Steuereinheit 54 kann über einen oder mehrere Kommunikationsbusse beispielsweise mit dem Elektromotor 50 und/oder dem Sensor 52 kommunizieren.
5 und 6 stellen Ausführungsformen des ICE 2 dar, bei denen mehr als eine Zylinderanordnung mit einer Turbine 8 verbunden sein kann.
5 stellt Ausführungsformen dar, bei denen zwei Zylinderanordnungen 4 mit einer Turbine 8 über eine Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, verbunden sind, d. h. die beiden Zylinderanordnungen 4 teilen sich dieselbe Turbinenradeinlassfläche, A_TIN. Folglich sind die von den Auslassöffnungsanordnungen 14 ausgehenden Auslassleitungszweige 6', 6" der beiden Zylinderanordnungen 4 verbunden, um eine gemeinsame Auslassleitung 6 auszubilden, die zu der Turbine 8 und zu der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, führt. Da ein bestimmter Grad eines Austauschflusses zwischen den beiden Auslassleitungszweigen 6', 6" vorhanden ist, wenn Abgase von einer der Zylinderanordnungen 4 zu der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, fließen, kann die oben beschriebene Bedingung: V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX für das gesamte Auslassleistungsvolumen, V_EXH, gelten. Genauer gesagt ist das gesamte Auslassleitungsvolumen, V_EXH, von dem Volumen von A_CYL eines Auslassventils 26 in einem ersten der Auslassleitungszweige 6', 6" und von dem zweiten Ventil 40 in einem zweiten der Auslassleitungszweige 6'. 6'' zu A_TIN der Turbine 8 gebildet. Denn wenn Abgase von der Zylinderanordnung 4, die mit dem ersten Auslassleitungszweig 6' verbunden ist, zu der Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, geleitet werden, wird die zweite Ventilanordnung 40 in dem zweiten Auslassleitungszweig 6 geeigneter Weise geschlossen und umgekehrt.
6 stellt Ausführungsformen dar, bei denen zwei Zylinderanordnungen 4 mit einer Turbine 8 über zwei getrennte Auslassleitungen 6 verbunden sind, die jeweils zu einer Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, führen. Die Turbinenradeinlassflächen, A_TIN, sind derart angeordnet, dass angenommen werden kann, dass mit der Turbine 8 an einer Position der Turbine 8 verbunden sind. Folglich ist die Turbine in diesen Ausführungsformen eine Turbine mit mehreren Eingängen, die zumindest einen weiteren Einlass 29' aufweist, zusätzlich zu dem Einlass 29. Dies bedeutet, dass der weitere Einlass 29' von dem Einlass 29 separat ist. Der Austauschfluss zwischen zwei Turbinenradeinlassflächen, A_TIN, ist in diesen Ausführungsformen vernachlässigbar. Folglich kann für jede der Auslassleitungen 6 die oben beschriebene Bedingung: V_EXH ≤ 0,5 * V_MAX gelten.
Im Allgemeinen werden Volumina von Verbindungen zu oder von der Auslassleitung 6 nicht als einen Teil des Auslassleitungsvolumens, V_EXH, ausbildend betrachtet, falls derartige Verbindungen eine Querschnittsfläche unterhalb eines Grenzwerts aufweisen. Gemäß Ausführungsformen kann das Auslassleitungsvolumen, V_EXH, sämtliche Volumina nicht beinhaltet, die mit der Auslassleitung 6 über eine Verbindung verbunden sind, die eine gesamte Verbindungsquerschnittsfläche, A_CON ≤ 0,022-mal das maximale Volumen, V_MAX, aufweist, d. h. A_CON ≤ 0,022 * V_MAX. Mit einer derartigen kleinen Querschnittsfläche, A_CON, ist jeglicher Austauschfluss durch eine Verbindung vernachlässigbar. Es sollte beachtet werden, dass der Faktor 0,022 eine Umwandlung von Volumen auf Fläche beinhaltet und in diesem Fall die Einheit m^-1 hat.
In 6 wurden zwei beispielhafte Verbindungen 7 mit gesamten minimalen Verbindungs-Querschnittsflächen, A_CON, eingezeichnet. Rein exemplarisch erwähnt können derartige Verbindungen 7 einen Teil eines Abgasrezirkulationssystems (exhaust gas recirculation (EGR) system) ausbilden, oder sie können mit Sensoren etc. verbunden sein.
Für eine bestimmte Turbine werden Turbinenteststandergebnisse in ein Turbinendiagramm (turbine map) eingetragen. Auf der Grundlage derartiger Turbinendiagramme kann eine geeignete Turbine für einen bestimmten Typ von ICE ausgewählt werden. In einem Typ von Turbinendiagramm können mehrere Turbinendrehzahllinien über einem korrigierten Fluss und Druckverhältnisses über die Turbine aufgetragen sein. Derartige Turbinendrehzahllinien können beispielsweise sogenannte reduzierte Turbinendrehzahlen, RPM_RED, darstellen. Der korrigierte Fluss kann beispielsweise durch einen reduzierten Massefluss, M'_RED, repräsentiert sein. Die Standards SAE J1826 und SAE J922 betreffen Testverfahren, Nomenklatur und Terminologie von Turboladern, und sie sind hier durch Bezugnahme einbezogen bezüglich weiterer Einzelheiten von Turbinendiagrammen und Parametern, die Turbolader betreffen. m'_RED = m' * (T)^1/2 / P, wobei m' eine tatsächliche Masseflussrate durch das Turbinenrad ist, T die Abgastemperatur vor dem Turbinenrad ist, und P der Abgasdruck vor dem Turbinenrad ist. In 7 ist ein schematisches Beispiel eines Turbinendiagramms einer Turbine wie beispielsweise eines Turboladers dargestellt.
Für eine relevante Turbine kann eine normierte effektive Flussrate, γ, definiert werden als γ = A_TURB/V_MAX. Daher kann die Turbinenradeinlassfläche, A_TIN, relativ zu dem maximalen Volumen, V_MAX, der Zylinderanordnung definiert werden. Und zwar wie folgt, A_TURB = (A_TIN/A_TOT) * m'_RED * (R/(κ(2/(κ + 1)^X)))^1/2, wobei X = (κ + 1)/(κ - 1). Wie oben erwähnt wurde, ist A_TIN die Turbinenradeinlassfläche, die mit der Auslassflussfläche, A_CYL, der Zylinderanordnung verbunden ist. Die Turbine kann mehr als eine Einlassfläche aufweisen. Folglich ist A_TOT eine gesamte Einlassfläche der Turbine, d. h. A_TIN und alle weiteren Turbineneinlassflächen, A_TINX etc. (A_TOT = A_TIN + A_TINX + ...). R ist die spezifische Gaskonstante. Ein beispielhafter Wert für R kann 287 sein. κ = C_p / C_v, wobei C_p die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck der Abgase ist, und wobei C_v die spezifische Wärmekapazität der Abgase bei konstantem Volumen ist. Ein beispielhafter Wert von κ kann 1,4 sein, bei einer Temperatur von 293 K.
A_TURB kann als reduzierter Massefluss, m'_RED, der Turbine bei einem Druckverhältnis zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine von beispielsweise 2,5 bis 3,5 und bei einer Flügelspitzengeschwindigkeit des Turbinenrads beispielsweise von 450 m/s erhalten werden. A_TURB für eine bestimmte Turbine kann beispielsweise erhalten werden, indem der reduzierte Massefluss, m'_RED, einem relevanten Turbinendiagramm für eine Turbinendrehzahl entnommen wird, die der relevanten Flügelspitzengeschwindigkeit bei dem relevanten Druckverhältnis entspricht, und indem A_TURB mit relevanten Daten für die Turbine und ihre Betriebsbedingungen berechnet wird. Anschließend kann γ berechnet werden. Gemäß Ausführungsformen hierin ist γ > 0,22 m^-1.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Turbine eine normierte effektive Flussfläche, γ, auf, die definiert ist als γ = A_TURB/V_MAX, wobei γ > 0,22 m^-1, wobei A_TURB = (A_TIN/A_TOT) * m'_RED * (R/(κ(2/(κ + 1)^X)))^1/2, wobei X = (κ + 1)/(κ - 1), wobei A_TOT eine gesamte Einlassfläche der Turbine (8) ist, und wobei A_TURB bei einem reduzierten Massefluss, m'_RED, der Turbine 8 bei einem Druckverhältnis von 2,5 bis 3,5 zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine 8 und bei einer Flügelspitzengeschwindigkeit von 450 m/s des Turbinenrads (27) erhalten ist.
In einer solchen Turbine 8 kann Energie von den Abgasen nutzbar gemacht werden, die durch das schnell öffnende zweite Ventil 40 hindurchtreten. Folglich kann ein geringer Druckabfall bereitgestellt werden, wenn das zweite Ventil 40 öffnet und Abgase durch den zweiten Abschnitt der Auslassleitung 6 zu der Turbine geleitet werden, und ein großer Anteil der Energie in den Abgasen kann in nützliche Arbeit umgewandelt werden, wenn sich die Abgase über das Turbinenrad der Turbine 8 ausdehnen.
8 stellt ein Verfahren 100 zum Steuern eines ICE dar. Der ICE kann ein ICE 2 gemäß einem Aspekt und/oder einer Ausführungsform sein, wie sie hierin beschrieben sind. Es wird daher auf die obenstehenden Ausführungsformen Bezug genommen.
Das Verfahren 100 umfasst in der angegebenen Reihenfolge die Schritte:

- Öffnen 102 des Auslassventils 26,
- Drehen 104 der Kurbelwelle 20 um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad, und danach
- Öffnen 106 des zweiten Ventils 40 bei einer höheren Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit als das Auslassventil 26.

Auf diese Weise kann der Druck in der Brennkammer 23 und der Auslassleitung 6 zuströmseitig des zweiten Ventils 40 ausgeglichen werden, bevor das zweite Ventil mit der hohen Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit um einen vorbestimmten Kurbelwellenwinkel nach dem Auslassventil 26 geöffnet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern eines ICE 2 bereitgestellt, das Instruktionen umfasst, die dann, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer dazu veranlassen, das Verfahren 100 gemäß einem Aspekt und/oder einer Ausführungsform auszuführen, wie sie hierin beschrieben sind. Der Computer kann beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit der Steuereinheit 54 sein, die oben beschrieben wurde.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, das Anweisungen umfasst, die dann, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, das Verfahren 100 gemäß einem Aspekt und/oder einer Ausführungsform auszuführen, wie sie hierin beschrieben sind. Der Computer kann wiederum eine zentrale Verarbeitungseinheit der Steuereinheit 54 sein, die oben beschrieben wurde.
Es sollte verstanden werden, dass das Vorstehende mehrere beispielhafte Ausführungsformen veranschaulicht und dass die Erfindung lediglich durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beispielhaften Ausführungsformen abgewandelt werden können, und dass unterschiedliche Merkmale der beispielhaften Ausführungsformen kombiniert werden können, um andere Ausführungsform als die hierin beschriebenen zu erzeugen, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er von den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verbrennungsmotor (2), umfassend eine Kurbelwelle (20), zumindest eine Zylinderanordnung (4) und eine Turbine (8), wobei die zumindest eine Zylinderanordnung (4) eine Brennkammer (23) ausbildet und eine Zylinderbohrung (12), einen Kolben (10), der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung (12) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her zu bewegen, ein Auslassventil (26) und eine Auslassöffnung (28) umfasst, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer (23) angeordnet ist, wobei das Auslassventil (26) einen Ventilkopf (30) umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz (32) der Auslassöffnung (28) abzudichten, wobei sich eine Auslassleitung (6) von der Auslassöffnung (28) zu einem Einlass der Turbine (8) erstreckt, wobei der Verbrennungsmotor (2) ein zweites Ventil (40) umfasst, das in der Auslassleitung (6) angeordnet ist, wobei das zweite Ventil (40) dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung (6) zu schließen und zu öffnen, und wobei das zweite Ventil (40) geöffnet wird, nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (40) eine höhere Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit aufweist als das Auslassventil (26), wobei innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen, das zweite Ventil (40) damit beginnt, zu öffnen.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Zylinderanordnung (4) eine Brennkammer (23) ausbildet, wobei die Zylinderanordnung (4) ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens (10) und einer oberen inneren begrenzenden Oberfläche (24) der Brennkammer (23) aufweist, und wobei das zweite Ventil (40) an einer Position in der Auslassleitung (6) innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 25 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung (28) angeordnet ist, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 1 % bis 15 % des maximalen Volumens, V_MAX, abströmseitig der Auslassöffnung (28).
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Zylinderanordnung (4) eine Brennkammer (23) ausbildet, wobei die Zylinderanordnung (4) ein maximales Volumen, V_MAX, zwischen einem unteren Totpunkt, BDC, des Kolbens (10) und einer oberen inneren begrenzenden Oberfläche (24) der Brennkammer (23) aufweist, wobei der Einlass (29) der Turbine (8) eine Turbineneinlassfläche, A_TIN, aufweist, wobei die Auslassleitung (6) ein Auslassleitungsvolumen, V_EXH, aufweist, das sich von der Auslassöffnung (28) zu der Turbineneinlassfläche, A_TIN, erstreckt, und wobei das Auslassleitungsvolumen, V_EXH ≤ 0,5-mal das maximale Volumen, V_MAX, ist.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb eines Bereichs von 10 bis 40 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen, das zweite Ventil (40) damit beginnt, zu öffnen, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 30 bis 40 Grad Kurbelwellenwinkel nachdem das Auslassventil (26) damit begonnen hat, zu öffnen.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Ventil (40) einen Ventilkörper (64) umfasst, wobei der Ventilkörper (64) einen flussdurchlässigen Abschnittsbereich, in dem ein Fluss eines Abgases durch das zweite Ventil (40) hindurchtritt, und einen Null-Fluss-Abschnittsbereich umfasst, in dem die Auslassleitung (6) bei dem zweiten Ventil (40) geschlossen ist, und wobei der Ventilkörper (64) dazu eingerichtet ist, in Bewegung versetzt zu werden, bevor der Ventilkörper (64) den flussdurchlässigen Abschnittsbereich erreicht.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 5, wobei der Ventilkörper (64) dazu eingerichtet ist, sich zu drehen.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei der Ventilkörper (64) dazu eingerichtet ist, sich um eine Drehachse (70) zu drehen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Auslassleitung (6) erstreckt.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 6, wobei der Ventilkörper (64) dazu eingerichtet ist, sich um eine Drehachse (70) zu drehen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Auslassleitung (6) erstreckt.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 5, wobei der Ventilkörper (64) dazu eingerichtet ist, sich hin und her zu bewegen.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslassleistung (6) lediglich die Auslassöffnung (28) fluidisch mit dem Einlass (29) der Turbine (8) verbindet.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Turbine (8) eine Mehrfacheinlassturbine ist, die zumindest einen weiteren Einlass (29') umfasst.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Auslassleitung (6) ein Auslassleitungsvolumen, V_EXH, aufweist, und wobei das Auslassleistungsvolumen sämtliche Volumina nicht beinhaltet, die mit der Auslassleitung (6) über eine Verbindung (7) verbunden sind, die eine gesamte Verbindungsquerschnittsfläche, A_CON ≤ 0,022-mal das maximale Volumen, V_MAX, aufweist.
Verbrennungsmotor (2) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Turbine (8) eine normierte effektive Flussfläche, γ, aufweist, die definiert ist als γ = A_TURB/V_MAX, wobei γ > 0,22 m^-1, wobei A_TURB = (A_TIN/A_TOT) * M'_RED * (R/(κ(2/(κ + 1)^X)))^1/2, wobei X = (κ + 1)/(κ - 1), wobei A_TOT eine gesamte Einlassfläche der Turbine (8) ist, und wobei A_TURB bei einem reduzierten Massefluss, m'_RED, der Turbine (8) bei einem Druckverhältnis von 2,5 bis 3,5 zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Turbine (8) und bei einer Flügelspitzengeschwindigkeit von 450 m/s des Turbinenrads (27) erhalten ist.
Fahrzeug (1), umfassend einen Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (100) zum Steuern eines Verbrennungsmotors (2), wobei der Verbrennungsmotor (2) zumindest eine Zylinderanordnung (4), eine Kurbelwelle (20) und eine Turbine (8) umfasst, wobei die zumindest eine Zylinderanordnung (4) eine Brennkammer (23) ausbildet und eine Zylinderbohrung (12), einen Kolben (10), der dazu eingerichtet ist, sich in der Zylinderbohrung (12) zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt hin und her zu bewegen, eine Pleuelstange (22), die den Kolben (10) mit der Kurbelwelle (20) verbindet, ein Auslassventil (26) und eine Auslassöffnung (28) umfasst, die an einer inneren begrenzenden Oberfläche der Brennkammer angeordnet ist, wobei das Auslassventil (26) einen Ventilkopf (30) umfasst, der dazu eingerichtet ist, gegen einen Ventilsitz (32) der Auslassöffnung (28) abzudichten, wobei sich eine Auslassleitung (6) von der Auslassöffnung (28) zu einem Einlass der Turbine (8) erstreckt, wobei der Verbrennungsmotor (2) ein zweites Ventil (40) umfasst, das in der Auslassleitung (6) angeordnet ist, wobei das zweite Ventil (40) dazu eingerichtet ist, die Auslassleitung (6) zu schließen und zu öffnen, und wobei das Verfahren (100) in der angegebenen Reihenfolge die Schritte umfasst: - Öffnen (102) des Auslassventils (26), - Drehen (104) der Kurbelwelle (20) um einen vorgegebenen Kurbelwellenwinkel innerhalb eines Bereichs von 10 bis 90 Grad, und danach - Öffnen (106) des zweiten Ventils (40) bei einer höheren Ventilflächenöffnungsgeschwindigkeit als das Auslassventil (26).