AT503869B1 - Brennkraftmaschine mit einem mehrflutigen abgasturbolader - Google Patents

Description

2 AT 503 869 B1

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem mehrflutigen Abgasturbolader, wobei in jede Flut der Turbine jeweils ein einer Gruppe von Zylindern zugeordneter Abgasstrang einmündet, mit zumindest einer Abgasrückführleitung zwischen einem Abgasstrang und einem Einlassstrang, wobei die Abgasrückführleitung stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers von einem Abgasstrang abzweigt und wobei stromaufwärts der Turbine in zumindest einem Abgasstrang eine Abgasstauklappe angeordnet ist.

Bei Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung, die über keine Turbine mit variabler Turbinengeometrie verfügen, welche aus Kosten- und Haltbarkeitsgründen oft nicht verwendet werden, ist das Generieren von höheren Abgasrückführraten im unteren Drehzahlbereich oftmals problematisch. Es entsteht dabei der Zielkonflikt zwischen den zu verwendenden Turbinengrößen. Eine große Turbine bringt Kraftstoffverbrauchsvorteile im oberen Drehzahlbereich. Im unteren Drehzahlbereich ist das Spülgefälle, um hinreichende Abgasrückführraten zu fördern, durch den geringen Abgasgegendruck zu gering. Dieser Effekt wird durch den Verzicht auf Flatterventile nach dem Abgasrückführkühler und die Verwendung eines einflutigen Abgasrückführsystems noch verstärkt. Eine kleine Turbine ist für das Fördern von rückgeführtem Abgas im unteren Drehzahlbereich hilfreich, hat aber Kraftstoffverbrauchsnachteile bei Nennlast.

Aus der DE 103 57 925 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung bekannt. Die zweiflutig ausgebildete Turbine des Abgasturboladers ist dabei asymmetrisch ausgebildet. Um bei geringer Drehzahl bereits rückgeführtes Abgas fördern zu können, ist eine Eintrittsflut in die asymmetrische Turbine, in einem Abgasstrang von der das rückgeführte Abgas entnommen wird, kleiner als die andere ausgebildet. Dadurch hat die Flut mit geringerem Querschnitt einen höheren Abgasgegendruck, was sich positiv auf das Spülgefälle zur Förderung der Abgasrückführung auswirkt. Nachteilig ist jedoch, dass der geringere Querschnitt den Abgasgegendruck auch dort erhöht, wo dieser ohnehin groß genug wäre, um Abgasrückführung durchzuführen. Die erhöht die Ladungswechselarbeit und somit den Kraftstoffverbrauch.

Eine Brennkraftmaschine mit einem mehrflutigen Abgasturbolader mit symmetrisch ausgebildeten Fluten ist aus der JP 2004-068631 A bekannt. Dabei führt zu jeder Flut ein jeweils einer Gruppe von Zylindern zugeordneter Abgasstrang. In einer Verbindungsleitung zwischen den Abgassträngen ist ein Schaltventil angeordnet. Ein weiteres Steuerorgan befindet sich in einem Abgasstrang unmittelbar vor Eintritt in die Turbine. Eine Abgasrückführung ist nicht vorgesehen.

Die DE 101 52 803 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführungsvorrichtung, wobei die Abgasturbine des Abgasturboladers eine Mehrzahl von Strömungsfluten besitzt, die über separate Abgasleitungen mit jeweils einem Teil der Zylinderauslässe der Brennkraftmaschine mit Abgas zu versorgen sind. Insgesamt sind dabei drei Strömungsfluten in der Abgasturbine vorgesehen, von denen zwei mit der Abgasrückführungsvorrichtung kommunizieren, wobei einer dieser Strömungsfluten ein einstellbares Drosselorgan zur Regulierung des rückzuführenden Abgasmassenstromes zugeordnet ist. Eine symmetrische Ausbildung der Fluten ist nicht vorgesehen.

Aus der DE 196 18 160 A1 geht ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine hervor, dessen Turbine ein Laufrad und ein Turbinengehäuse mit mindestens zwei durch eine Trennwand getrennte Einlaufkanäle aufweist. Die beiden Einlaufkanäle weisen in etwa einen gleichen Strömungsquerschnitt auf und sind über Verbindungsleitungen mit einem Sammelbehälter für die Abgase verbunden, wobei in einer der Verbindungsleitungen eine Durchflussreguliereinrichtung angeordnet ist und von der anderen Verbindungsleitung eine Abgasrückführleitung abzweigt, die mit einer Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kraftstoffverbrauch und die Ladungswechselarbeit zu vermindern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Fluten der Turbine des Abgasturboladers 3 AT 503 869 B1 symmetrisch ausgebildet sind und dass die Abgasstauklappe in einem zweiflutigen Klappenbauteil angeordnet ist, dessen eine Flut durch die Abgasstauklappe drosselbar ist, wobei dessen andere Flut einen ungedrosselten Strömungsquerschnitt aufweist. Durch Verwenden einer herkömmlichen Turbine mit symmetrischen Fluten in Kombination mit einer Abgasstauklappe vor der Turbine kann erreicht werden, dass Kraftstoffverbrauch und Ladungswechselarbeit vermindert werden können.

Die Abgasstränge sind dabei bis zum Eintritt in die Fluten der Turbine getrennt geführt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abgasstauklappe in jenem Abgasstrang angeordnet ist, von dem die Abgasrückführleitung abzweigt, wobei die Abgasstauklappe zwischen der Abzweigung der Abgasrückführleitung und dem Eintritt in die Turbine, vorzugsweise unmittelbar vor dem Eintritt in die Turbine, positioniert ist.

Durch die Abgasstauklappe ist es möglich, in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine den Abgasgegendruck der Flut, von welcher das rückgeführte Abgas entnommen wird, zu verändern. Zur Vereinfachung des Systems ist es ausreichend, eine Abgasstauklappe zu verwenden, die nur eine Auf/Zu-Funktionalität aufweist. Die Abgasrückführrate wird dann in herkömmlicher Weise über ein Abgasrückführventil in der Abgasrückführleitung geregelt.

Dadurch kann eine Turbine mit hinreichend großem Durchfluss verwendet werden, um im oberen Drehzahlbereich Kraftstoffverbrauchsvorteile zu erzielen, während im unteren Drehzahlbereich durch Betätigen der Abgasstauklappe ein genügend großer Abgasgegendruck erzeugt werden kann, um rückgeführtes Abgas zu fördern. Dadurch kann auf eine Ansaugdrossel verzichtet werden.

Im Gegensatz zu einer Abgasklappe nach der Turbine, welche bei Betätigung eine Erhöhung des Abgasgegendruckes in beiden Fluten zu Folge hat, wird bei der Abgasklappe in einer Flut stromaufwärts der Turbine nur der Abgasgegendruck in der benötigten Flut erhöht. Dies verringert die Ladungswechselarbeit und die andere Flut versorgt die Turbine weiterhin mit Abgas.

Der Klappenbauteil kann direkt zwischen der Turbine und einem Abgaskrümmer angebracht werden. Grundsätzlich können aber, vor allem für Anwendungen im Bereich des Thermomana-gements, auch beide Fluten mit einer Abgasstauklappe, bzw. einer Abgasdrossel ausgestattet sein.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung, Fig. 2 einen mehrflutig ausgebildeten Klappenbauteil in einer Draufsicht und Fig. 3 diesen Klappenbauteil in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit zumindest zwei Gruppen A, B von Zylindern 2, welche über Gaskanäle 3 mit einem Einlasssammler 4 verbunden sind, in den ein Einlassstrang 5 einmündet.

Von jeder Gruppe A, B von Zylindern 2 geht ein Auslassstrang 6, 7 aus, wobei die beiden Auslassstränge 6, 7 in jeweils eine Flut 8, 9 einer symmetrischen Turbine 10 eines Abgasturboladers 11 einmünden. Mit Bezugszeichen 12 ist ein im Einlassstrang 5 angeordneter Verdichter des Abgasturboladers 11 bezeichnet.

Von einem Auslassstrang 6 geht eine Abgasrückführleitung 13 aus, welche in den Einlassstrang 5 einmündet. Mit Bezugszeichen 14 ist ein Abgasrückführventil und mit Bezugszeichen 15 ein Abgasrückführkühler bezeichnet.

In jenem Auslassstrang 6, von welchem die Abgasrückführleitung 13 abzweigt, ist zwischen der

Claims (3)

1. 4 AT 503 869 B1 Abzweigung der Abgasrückführleitung 13 und der Mündung in die Flut 8 der Turbine 10 eine Abgasstauklappe 16a, 16b angeordnet. Mit Bezugszeichen 16a und 16b sind alternative Anordnungen für die Abgasstauklappe angedeutet. Mit Bezugszeichen 16a ist dabei einen Abgasstauklappe in einer einflutigen Ausführung bezeichnet, 16b bezeichnet eine unmittelbar vor dem Eintritt in die Turbine 10 angeordnete Abgasstauklappe, welche in einer Flut 18 eines mehrflutigen Klappengehäuses 17 angeordnet ist. Die zweite Flut 19 weist im Ausführungsbeispiel einen ungedrosselten Strömungsquerschnitt auf. Fig. 2 zeigt die Abgasstauklappe 16b in geschlossener Stellung. Deutlich ist zu erkennen, dass beidseits der Abgasstauklappe 16b eine Leckageöffnung 20 für das Abgas verbleibt. Eine ausreichende Erhöhnung des Abgasgegendruckes kann somit auch mit einer Abgasstauklappe 16b erreicht werden, welche im geschlossenen Zustand eine definierte Leckageöffnung 20 freigibt. Mit Bezugszeichen 21 ist in Fig. 3 strichliert die Abgasstauklappe 16b im geöffneten Zustand angedeutet. Durch die Abgasstauklappe 16a, 16b ist es möglich, in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 1 den Abgasgegendruck der Flut 8, bzw. des Abgasstranges 6, von welcher rückgeführtes Abgas entnommen wird, zu verändern. Dabei ist es ausreichend, eine Abgasstauklappe 16a, 16b zu verwenden, die lediglich eine Auf/Zu-Funktion aufweist. Die Abgasrückführrate wird über das Abgasrückführventil 14 geregelt. Dadurch kann eine Turbine 10 mit hinreichend großem Durchfluss verwendet werden, um im oberen Drehzahlbereich Kraftstoffverbrauchsvorteile zu erzielen. Durch Betätigen der Abgasstauklappe 16a, 16b kann ein genügend großer Abgasgegendruck erzeugt werden, um rückgeführtes Abgas zu fördern. Dadurch kann auf eine Ansaugdrossel im Einlassstrang 5 verzichtet werden. Im Gegensatz zu einer Abgasstauklappe nach der Turbine 10, welche bei Betätigung eine Erhöhung des Abgasgegendruckes in beiden Fluten 8, 9 zur Folge hat, wird bei der einflutigen Abgasstauklappe 16a, 16b nur der Abgasgegendruck in der benötigten Flut 8, 9 erhöht. Dies verringert die Ladungswechselarbeit und die andere Flut 9 versorgt die Turbine 10 weiterhin. Weiters ist durch großes Abmindern des Durchflusses möglich, den Turbinenwirkungsgrad derart zu verringern, dass durch das Absenken des Ladedruckes und das daraus resultierende geringere Luftverhältnis die Abgastemperatur erhöht wird. Dies spielt eine große Rolle für Brennkraftmaschinen mit Abgasnachbehandlungssystemen (Partikelfilter, Regeneration, Anspringdauer bei Katalysator). Die Abgasstauklappe 16b ist bevorzugt in einem eigenen Klappenbauteil 17 integriert. Der Klappenbauteil 17 kann ein- oder mehrflutig ausgebildet sein. Die Fig. 2 und 3 zeigen einen mehrflutigen Klappenbauteil 17, wobei in einer Flut 18 die Abgasstauklappe 16b angeordnet ist. Die andere Flut 19 kann einen ungedrosselten Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich können aber auch - vor allem für Anwendungen im Bereich des Ther-momanagements - beide Fluten 18, 19 mit einer Abgasstauklappe ausgestattet sein. Der Klappenbauteil 17 kann direkt zwischen der Turbine 10 und einem Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt sein. Da keine Anforderung für eine vollständige Verhinderung des Massenstromes durch die Abgasstauklappe 16a, 16b besteht, kann deren Einbaugröße verringert werden. Patentansprüche: 1. Brennkraftmaschine (1) mit einem mehrflutigen Abgasturbolader (11), wobei in jede Flut 5 AT 503 869 B1 (8, 9) der Turbine (10) jeweils ein einer Gruppe (A, B) von Zylindern (2) zugeordneter Abgasstrang (6, 7) einmündet, mit zumindest einer Abgasrückführleitung (13) zwischen einem Abgasstrang (6) und einem Einlassstrang (5), wobei die Abgasrückführleitung (13) stromaufwärts der Turbine (10) des Abgasturboladers (11) von einem Abgasstrang (6) abzweigt und wobei stromaufwärts der Turbine (10) in zumindest einem Abgasstrang (6) eine Abgasstauklappe (16a, 16b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluten (8, 9) der Turbine (10) des Abgasturboladers (11) symmetrisch ausgebildet sind und dass die Abgasstauklappe (16b) in einem zweiflutigen Klappenbauteil (17) angeordnet ist, dessen eine Flut (18) durch die Abgasstauklappe (16b) drosselbar ist, wobei dessen andere Flut (19) einen ungedrosselten Strömungsquerschnitt aufweist.
2. 2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstränge (6, 7) bis zum Eintritt in die Fluten (8, 9) der Turbine (10) getrennt geführt sind.
3. 3. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasstauklappe (16a, 16b) in jenem Abgasstrang (6) angeordnet ist, von dem die Abgasrückführleitung (13) abzweigt, wobei die Abgasstauklappe (16a, 16b) zwischen der Abzweigung der Abgasrückführleitung (13) und dem Eintritt in die Turbine (10) vorzugsweise unmittelbar vor dem Eintritt in die Turbine (10), positioniert ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen