AT500458B1

AT500458B1 - Brennkraftmaschine, insbesondere otto-brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT500458B1
Application number: AT0158505A
Authority: AT
Inventors: Kurt Ing Prevedel; Paul Dr Kapus
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-05-15
Also published as: AT500458A2; AT500458A3; US20070068416A1; US7490556B2

Description

2 AT 500 458 B1

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Otto-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer ersten und einer zweiten Gruppe von Zylindern, wobei die erste Gruppe mit einem ersten Abgassammler und die zweite Gruppe mit einem zweiten Abgassammler verbunden ist, und wobei eine vom ersten Abgassammler ausgehende erste Abgasleitung zu einer 5 ersten primären Stufe und eine vom zweiten Abgassammler ausgehende zweite Abgasleitung zu einer zweiten primären Stufe führt und wobei stromabwärts der primären Stufen eine sekundäre Stufe angeordnet ist.

Aus der DE 198 37 978 A1 ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer primären Stufe io und einer sekundäre Stufe bekannt, die der primäre Stufe nachgeschaltet ist. Die primäre Turbine ist dabei zumindest von einem minimalen Abgasmassenstrom stets durchströmt, so dass sie ständig umläuft. Über eine zentrale Prozessoreinheit werden Rohrschalter derart betätigt, dass variable Teilströme des gesamten Massenstromes auf die primäre Turbine, die sekundäre Turbine und auf die Frischgasseite der Maschine aufgeteilt werden, und zwar im Sinne einer 15 Optimierung der Betriebsweise der Maschine im Hinblick auf minimalen Kraftstoffverbrauch und/oder minimale Schadstoffemissionen. Dadurch, dass die primäre Turbine ständig durchströmt wird, ist sichergestellt, dass im Beschleunigungsfalle ein Mindestladedruck vorhanden ist. Eine Zündfolgetrennung der in die primäre Stufe einströmenden Gasströme ist nicht vorgesehen. Dies hat den Nachteil, dass Druckpulsationen von in der Zündfolge aufeinanderfolgen-20 den Zylindern sich gegenseitig stören, wodurch die gasdynamische Aktivität nur unzureichend genutzt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist, dass durch Druckpulsationen der Nachbarzylinder der Spülvorgang gestört wird. Dies wirkt sich insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich nachteilig auf das Drehmoment aus. 25 Die DE 103 14 583 A1 beschreibt ein Motorsteuerungssystem in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor mit variablem Hubraum, sowie zwei durch den Abgasstrom angetriebenen Turboladern, wobei jeder Turbolader abgasseitig jeweils einer Gruppe von Zylindern zugeordnet ist. Eine sekundäre Stufe ist nicht vorgesehen. 30 Aus der DE 11 13 116 B ist eine mehrzylindrige Zweitakt-Brennkraftmaschine mit primären und sekundären Stufen von Abgasturboladern bekannt. Dabei münden die Abgasleitungen zweier Zylinder direkt in jeweils eine im Stoßbetrieb arbeitende Turbine einer ersten Turboladergruppe ein, wobei die Verbindungsleitungen einen möglichst kleinen Rauminhalt aufweisen. Zwischen den Verbindungsleitungen und der Turbine ist somit kein eigener Abgassammelraum vorgese-35 hen. Das die erste Stufe verlassende Abgas strömt weiter in einen Sammelraum für alle Gruppen von Zylindern, welcher Sammelraum mit der Turbine eines weiteren Abgasturboladers in Verbindung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und das Drehmoment speziell im 40 unteren Drehzahlbereich zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Abgasführung von in der Zündfolge aufeinanderfolgenden Zylinder verschiedenen Gruppen zugeordnet sind, und dass die Abgasströmungswege der beiden Gruppen zumindest bis zum Eintritt in die sekundäre Stufe getrennt 45 ausgebildet sind.

Dadurch, dass die Abgasströme von in der Zündreihenfolge aufeinanderfolgenden Zylindern bis zur sekundären Stufe getrennt ausgebildet sind, kann eine nachteilige Beeinflussung der Ladungswechsel von benachbarten Zylindern ausgeschlossen werden. 50

In einer begünstigten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste primäre Stufe durch eine erste Abgasturbine und die zweite primäre Stufe durch eine zweite Abgasturbine gebildet ist. Die sekundäre Stufe kann durch eine vorzugsweise zweiflutige dritte Abgasturbine gebildet sein. Um eine flexible Betriebsweise zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die 55 erste und/oder zweite Abgasturbine, vorzugsweise auch die dritte Abgasturbine umgehbar sind, 3 AT 500 458 B1 wobei in der Umgehungsleitung jeweils ein Steuerventil angeordnet sein kann.

Die Abgasstränge der Brennkraftmaschinen sind somit in zumindest zwei Gruppen gemäß der Zündfolge geteilt, wobei in der Zündfolge aufeinanderfolgende Zylinder unterschiedlichen Grup-5 pen angehören. Jede Gruppe von Zylindern speist über relativ kleine Abgasrohre individuelle kleine primäre Stufen. Dadurch ist ein effizienter Gasaustausch gewährleistet, wobei in Kombination mit variablen Ventilsteuerzeiten eine optimale Spülung zum Zwecke eines erhöhten Ladedruckes und Drehmomentes erreicht wird. Kleine erste und zweite primäre Abgasturbinen haben darüber hinaus den Vorteil, dass die Laufräder kleinere Massenträgheitsmomente auf-io weisen und somit ein günstiges Ansprechverhalten zeigen. Über Umgehungsleitungen für die primäre Stufe, welche vorzugsweise eine größere Querschnittsfläche aufweisen, als die Abgaszuleitungen zur ersten und zweiten Abgasturbine, sind die Abgassammler der ersten und zweiten Zylindergruppe direkt mit der sekundären Stufe 15 verbunden.

In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zylinder der ersten Gruppe mit einem ersten Einlasssammler und die Zylinder der zweiten Gruppe mit einem zweiten Einlasssammler verbunden sind, wobei zumindest zwischen den Verdichtern des ersten und zweiten 20 primären Abgasturboladers und dem ersten bzw. zweiten Einlasssammler die Einlassleitungen getrennt geführt sind. Dadurch können gasdynamische Effekte auch einlassseitig zur Erhöhung des Wirkungsgrades genutzt, sowie eine etwaige Beeinträchtigung des Betriebsverhaltens der Verdichter der primären Ladestufe durch gegenseitige Druckpulsationen verhindert werden. 25 Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer zweiten Ausführungsvariante, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungs-30 Variante und Fig. 4 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführungsvariante.

Funktionsgleiche Bauteile sind in den Ausführungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. 35 Die Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder 2 auf, deren Abgasstränge 2a, 2b, 2c, 2d zu zwei Gruppen A, B zusammengefasst sind, wobei die Abgasleitungen 2a, 2d; 2b, 2c von in der Zündfolge nicht aufeinanderfolgenden Zylindern 2 in jeweils einen Abgassammler 3, 4 münden. Die Abgassammler 3, 4 stehen mit jeweils einer primäre Stufe 5a, 5b und mit einer sekundären Stufe 6 in Verbindung. Vom ersten Abgassammler 3 führt eine erste Abgasleitung 7 zur Abgas-40 turbine 8a eines ersten Abgasturboladers 8. Vom zweiten Abgassammler 4 führt eine zweite Abgasleitung 9 zur Abgasturbine 10a eines zweiten Abgasturboladers 10. Stromabwärts der Abgasturbinen 8a, 10a führen erste und zweite Abgasleitungen 7, 9 weiter zur Abgasturbine 11a eines dritten Abgasturboladers 11, welche die sekundäre Stufe bildet. 45 Über eine erste Umgehungsleitung 12 und eine zweite Umgehungsleitung 13 können erster Abgassammler 3, bzw. zweiter Abgassammler 4 unter Umgehung der ersten und zweiten Abgasturbine 8a, 10a direkt mit der dritten Abgasturbine 11a verbunden werden, wobei der Durchfluss über zumindest ein Steuerorgan 14, 14a, 14b gesteuert werden kann. so Der Querschnitt der ersten Abgasleitung 7 und der zweiten Abgasleitung 9 ist jeweils geringer als der Querschnitt der ersten bzw. zweiten Umgehungsleitung 12,13.

Auch die dritte Abgasturbine 11a ist durch eine dritte Umgehungsleitung 15 umgehbar, wobei in der dritten Umgehungsleitung 15 ein Steuerorgan 16 angeordnet ist.

Claims

4 AT 500 458 B1 In den Verdichterteil 11b des dritten Abgasturboladers 11 mündet eine Eintrittsleitung 17. Stromabwärts des Verdichterteiles 11b des dritten Abgasturboladers 11 spaltet sich die gemeinsame Eintrittsleitung 17 in eine erste Eintrittsleitung 18 und eine zweite Eintrittsleitung 19 auf, wobei die erste Eintrittsleitung 18 zum Verdichterteil 8b des ersten Abgasturboladers und 5 die zweite Eintrittsleitung 19 in den Verdichterteil 10b des zweiten Abgasturboladers 10 mündet. Die ersten und zweiten Eintrittsleitungen 18, 19 sind stromabwärts der Verdichterteile 8b, 10b in getrennten Ladeluftleitungen 21a, 21b weitergeführt. Bei der in Fig. 1 dargestellten einfachen Ausführungsvariante münden die Ladeluftleitungen io 21a, 21b in einen gemeinsamen Zwischenkühler 20. Vom gemeinsamen Zwischenkühler 20 führt eine gemeinsame Ladeluftleitung 21, in welcher eine Drosselklappe 22 angeordnet ist, zu einem für alle Zylinder 2 gemeinsamen Einlasssammler 23. Weiters ist in dieser einfachen Ausführungsvariante für die erste und die zweite Umgehungsleitung 12, 13 ein einziges Steuerorgan 14 vorgesehen, wobei die Umgehungsleitungen 12, 13 zu einer gemeinsamen Umge-15 hungsleitung 24 zusammengefasst sind. Auch die ersten und zweiten Abgasleitungen 7, 9 sind stromabwärts der Abgasturbinen 8a, 10a zu einer gemeinsamen Abgasleitung 25 zusammengefasst, welche in die dritte Abgasturbine 11a einmündet. Bei den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsvarianten dagegen sind die Abgasstränge 20 jeder Gruppe A, B von den Zylindern 2 bis zum Eintritt in die dritte Abgasturbine 11a völlig getrennt ausgeführt. Die dritte Abgasturbine 11a ist somit zweiflutig ausgebildet. In jeder der Umgehungsleitungen 12, 13 ist ein Steuerorgan 14a, 14b angeordnet. Die erste und zweite Abgasleitung 7, 9 ist auch stromabwärts der ersten bzw. zweiten Abgasturbine 8a, 10a getrennt bis zum Eintritt der dritten Abgasturbine 11a ausgeführt. Weiters sind bei den Ausführungsvari-25 anten gemäß den Figuren 2 bis 4 auch die Ladeluftleitungen 21a, 21b völlig getrennt bis zu den getrennten Einlasssammlern 23a, 23b ausgebildet, wobei in jeder der beiden Ladeluftleitungen 21a, 21b ein Zwischenkühler 20a, 20b und eine Drosselklappe 22a, 22b angeordnet ist. Jede der beiden Ladeluftleitungen 21a, 21b führt zu einem eigenen Einlasssammler 23a, 23b, wobei die beiden Einlasssammler 23a, 23b über eine Steuerklappe 24 miteinander verbindbar sind. 30 Über die Klappe 24 kann eine Abstimmung der beiden Einlassstränge erfolgen. Während Fig. 2 eine Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern 2 zeigt, ist in Fig. 3 eine Brennkraftmaschine 1 mit sechs in Reihe angeordneten Zylindern 2 dargestellt. Fig. 4 zeigt schematisch eine Zylinderbank einer V6-Brennkraftmaschine, welche eine Gruppe A von Zylindern 2 35 bildet. Der Zylinderbank ist ein erster Abgasturbolader 8, eine erste Umgehungsleitung 12 und ein erstes Steuerorgan 14a zugeordnet. Die nicht weiter ersichtliche zweite Zylinderbank bildet die zweite Gruppe B von Zylindern 2, wobei dieser Gruppe B von Zylindern 2 der zweite Abgasturbolader 10 samt zweiter Umgehungsleitung 13 und Steuerventil 14b zugeordnet ist. 40 Dadurch, dass die beiden Gruppen A, B von Abgassträngen getrennt bis zum Eintritt in den Turbinenteil 11a der sekundären Stufe 6 ausgeführt sind und die in der Zündreihenfolge aufeinanderfolgenden Zylinder 2 verschiedenen Gruppen A, B zugeordnet sind, wird eine gegenseitige nachteilige Beeinflussung der Zylinder 2 vermieden. Dies ermöglicht unter anderem ein optimales Ausspülen des Restgases aus den Zylindern 2 ohne störende Beeinflussung durch 45 Nachbarzylinder. Auf diese Weise kann insbesondere im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment erzielt werden. Patentansprüche: 50 1. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Otto-Brennkraftmaschine, mit zumindest einer ersten und einer zweiten Gruppe (A, B) von Zylindern (2), wobei die erste Gruppe (A) mit einem ersten Abgassammler (3) und die zweite Gruppe (B) mit einem zweiten Abgassammler (4) verbunden ist, und wobei eine vom ersten Abgassammler (3) ausgehende ers-55 te Abgasleitung (7) zu einer ersten primären Stufe (5a) und eine vom zweiten Abgassamm- 5 AT 500 458 B1 ler (4) ausgehende zweite Abgasleitung (9) zu einer zweiten primären Stufe (5b) führt und wobei stromabwärts der primären Stufen (5a, 5b) eine sekundäre Stufe (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasführung von in der Zündfolge aufeinanderfolgenden Zylinder (2) verschiedenen Gruppen (A, B) zugeordnet sind, und dass die Abgasströ- 5 mungswege der beiden Gruppen (A, B) zumindest bis zum Eintritt in die sekundäre Stufe (6) getrennt ausgebildet sind.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste primäre Stufe (5a) durch eine erste Abgasturbine (8a) und die zweite primäre Stufe (5b) durch eine io zweite Abgasturbine (10a) gebildet ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Stufe (6) durch eine vorzugsweise zweiflutige dritte Abgasturbine (11a) gebildet ist. 15 ,
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Abgasturbine (8a, 10a) der primären Stufe (5a, 5b) umgehbar ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungs leitung (12, 13) der ersten und/oder zweiten Abgasturbine (8a, 10a) eine größere Querschnittsfläche aufweist, als die Abgasleitung (7, 9) zur ersten beziehungsweise zweiten Abgasturbine (8a, 10a).
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Abgasturbine (11a) der sekundären Stufe (6) umgehbar ausgebildet ist.
7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (12, 13, 15) der ersten, zweiten und/oder dritten Abgasturbine 30 (8a, 10a, 11a) ein Steuerorgan (14, 14a, 14b, 16) angeordnet ist.
8. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2) der ersten Gruppe (A) mit einem ersten Einlasssammler (23a) und die Zylinder (2) der zweiten Gruppe (B) mit einem zweiten Einlasssammler (23b) verbunden sind, 35 wobei zumindest zwischen den Verdichtern (8b, 10b) des ersten und zweiten Abgasturboladers (8, 10) und dem ersten bzw. zweiten Einlasssammler (23a, 23b) die Ladeluftleitungen (21a, 21b) getrennt geführt sind. 40 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 45 50 55