DE102004038172A1

DE102004038172A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004038172A1
Application number: DE102004038172A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.-Ing. Betsch; Jürgen Dipl.-Ing. Münzenmaier
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2006015814A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugtrakt (7), der mindestens eine erste Ansaugleitung (31) und eine zweite Ansaugleitung (32) aufweist, mit einem Abgastrakt (6), der mindestens einen ersten Abgasstrang (20) und einen zweiten Abgasstrang (21) aufweist, mit mindestens zwei Abgasturboladern (2a, 2b), die jeweils eine Turbine (4a, 4b) und einen über eine drehfeste Welle (5a, 5b) mit der Turbine (4a, 4b) verbundenen Verdichter (3a, 3b) aufweisen, welcher in der Ansaugleitung (31, 32) angeordnet ist, wobei dem ersten Abgasstrang (20) mindestens die Turbine (4a) des ersten Abgasturboladers (2a) und dem zweiten Abgasstrang (21) mindestens die Turbine (4b) des zweiten Abgasturboladers (2b) zugeordnet ist, mit mindestens zwei Bypässen (56, 57) zur Umleitung von Abgas und/oder Verbrennungsluft und mit mindestens einem ersten Abgaskrümmer (18) und einem zweiten Abgaskrümmer (19). DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Brennkraftmaschine (1) einen dritten Abgasstrang (22) stromab einer Zusammenführung (40) des ersten und zweiten Abgasstranges (20, 21) mit mindestens einer Turbine (4c) eines weiteren Abgasturboladers (2c) auf. DOLLAR A Die Erfindung findet überwiegend im Kraftfahrzeugbau Anwendung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Zylinderladung eingesetzt. Die Erhöhung der Zylinderladung führt neben einer Leistungssteigerung zu einer Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses und damit bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zu einer Reduzierung der Rußbildung im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich und kann, je nach Verbrennungstemperatur, eine Reduzierung der Stickoxidemission zur Folge haben.

Abgasturbolader bestehen in der Regel aus zwei über eine feste Welle gekoppelte Strömungsmaschinen, einer Turbine, die über den expandierenden Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird und einem Verdichter, der über die feste Welle von der Turbine angetrieben wird und angesaugte Luft komprimiert. Da Strömungsmaschinen ein anderes Betriebsverhalten als Brennkraftmaschinen aufweisen, gilt es den Abgasturbolader und/oder seine Peripherie so zu gestalten, dass sowohl im niedrigen als auch im oberen Last- und Drehzahlbereich für das gewünschte Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vom Abgasturbolader genügend Luft zur Verfügung gestellt wird.

Der Abgasturbolader reagiert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes bei plötzlicher Steigerung der Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine verzögert. Dieses verzögerte Ansprechverhalten ist unter dem geläufigen Namen „Turboloch" bekannt und zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine für den entsprechenden Betriebspunkt zu wenig Luft zur Verfügung stellt. Das schlechte Ansprechverhalten bewirkt im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine neben einer ungenügenden Beschleunigung einen hohen Kraftstoffverbrauch, der mit der Beseitigung des schlechten Ansprechverhaltens reduziert werden kann.

Wird der Abgasturbolader für den Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt, so ist er in der Regel für ein schnelles Ansprechen im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich zu groß ausgelegt und liefert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes unbefriedigende Ergebnisse des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine hinsichtlich Motor-Drehmoment, Agilität und Verbrauch. Unterschiedliche Ansätze versuchen das Ansprechverhalten des Abgasturboladers im genannten Bereich zu verbessern.

Aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 102 09 002 A1 geht eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe hervor, wobei den Zylinderreihen mindestens zwei Abgasturbolader mit jeweils einem Ladeluftverdichter und einer Abgasturbine zugeordnet sind. Die zwei Abgasturbolader sind der entsprechenden Zylinderreihe in Reihe geschaltet zugeordnet, wobei der erste der beiden Abgasturbolader größer ist als der zweite.

Den Abgasturboladern ist jeweils ein Bypass zugeordnet, so dass sich je nach Betrieb der Brennkraftmaschine der kleinere Abgasturbolader oder der größere Abgasturbolader abschalten, beziehungsweise umgehen lässt. Im unteren Drehzahlbereich und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine ist aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes bevorzugterweise der kleinere der beiden Abgasturbolader einzusetzen. Aufgrund der Anordnung der Abgasturbolader ist die maximal möglich Aufladung eine zweistufige Aufladung.

Die Aufgabe der Erfindung ist es Abgasturbolader in einer bestimmten Anordnung einer Brennkraftmaschine zuzuordnen, derart, dass eine hohe Leistung aufgrund eines hohen Ladedruckes in möglichst jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit erreichbar ist, unter Beachtung eines verbrauchsoptimierten und schadstoffarmen Betriebs der Brennkraftmaschine.

Erfindungsgemäß werden bei einer Brennkraftmaschine Abgasturbolader derart angeordnet, dass ein hoher Ladedruck über einem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine erreichbar ist. Die Brennkraftmaschine weist mindestens einen ersten und einen zweiten Abgaskrümmer, sowie einen ersten und einen zweiten Abgasstrang auf. In jedem Abgasstrang ist ein Abgasturbolader mit einer Turbine angeordnet, so dass der erste Abgasstrang einen ersten Abgasturbolader mit einer ersten Turbine und der zweite Abgasstrang einen zweiten Abgasturbolader mit einer zweiten Turbine aufweist. Die beiden Abgasstränge sind stromab der ersten beziehungsweise der zweiten Turbine des ersten und des zweiten Abgasturbolader zusammenführbar und gehen nach einer Zusammenführung des ersten und des zweiten Abgasstranges erfindungsgemäß in einen gemeinsamen dritten Abgasstrang über. Diesem dritten Abgasstrang ist mindestens eine Turbine eines weiteren Abgasturboladers zugeordnet. Infolge dieser Turbinenanordnung ergibt sich auf einer Ansaugseite der Brennkraftmaschine mindestens eine zweistufige Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft, wobei drei anstelle der bisher angeordneten vier Abgasturbolader einsetzbar sind. Mit dieser zweistufigen Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft ist ein sehr hoher Ladedruck realisierbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist dem ersten Abgaskrümmer der erste Abgasstrang und dem zweiten Abgaskrümmer der zweite Abgasstrang zuordenbar. Infolge dieser Zuordnung besteht die Möglichkeit einer parallelen Anordnung des ersten und des zweiten Abgasturboladers, so dass aus thermodynamischen Gründen der erste und der zweite Abgasturbolader gleich groß gestaltbar sowie voneinander unabhängig betreibbar sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist dem Ansaugtrakt mindestens eine dritte Ansaugleitung zugeordnet. Infolge dieser Zuordnung ist ein Verdichter des weiteren Abgasturboladers unabhängig von der ersten und der zweiten Ansaugleitung anordenbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist dem dritten Abgasstrang eine Turbine eines zusätzlichen Abgasturboladers zugeordnet, wobei die Turbine des zusätzlichen Abgasturbolader stromab der Zusammenführung und stromauf der Turbine des weiteren Abgasturboladers angeordnet ist. Infolge dieser Anordnung ergibt sich eine weitere Nutzung des Abgases durch die Turbine des zusätzlichen Abgasturboladers. Diese Anordnung hat den weiteren Vorteil einer einfachen konstruktiven Bauweise, da bei einer parallelen Anordnung der Turbinen eine konstruktiv aufwendige Anordnung an abgasführenden Leitungen notwendig ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind Verdichter des weiteren und des zusätzlichen Abgasturboladers in einer Reihe derart angeordnet, dass der Verdichter des weiteren Abgasturboladers stromauf des Verdichters des zusätzlichen Abgasturboladers angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht mindestens eine zweistufige Kompression der Verbrennungsluft unter Berücksichtigung einer einfachen konstruktiven Bauweise unter Betrachtung der Anordnung der Turbinen des weiteren sowie des zusätzlichen Abgasturboladers auf der Abgasseite. Infolge dieser Anordnung ist maximal eine dreistufige Kompression der Verbrennungsluft erreichbar, wodurch ein sehr hoher Ladedruck erzielbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 sind die Verdichter des ersten und des zweiten Abgasturboladers parallel angeordnet, da ebenfalls die Turbinen des ersten beziehungsweise zweiten Abgasturboladers parallel angeordnet sind. Die Turbinen sind je einem Abgaskrümmer zugeordnet. Da aufgrund der parallelen Anordnung des ersten und zweiten Abgasturboladers die Turbinen des ersten beziehungsweise des zweiten Abgasturboladers von nur einem Teil des Abgases beaufschlagt werden, können der erste beziehungsweise der zweite Abgasturbolader relativ klein gebaut sein. Aufgrund der relativ kleinen Bauweise der Abgasturbolader sind eine sehr hohe Abgasturboladerdrehzahl und ein sehr hohes Druckverhältnis erreichbar. Da der erste und der zweite Abgasturbolader kleiner ausführbar sind als der weitere und der zusätzliche Abgasturbolader, können die kleinen Abgasturbolader in eine Hochdruckstufe und die großen Abgasturbolader in eine Niederdruckstufe eingeteilt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 sind die Verdichter des ersten und des zweiten Abgasturboladers stromab des Verdichters des weiteren Abgasturboladers angeordnet. Das vom Verdichter des weiteren Abgasturboladers erreichbare Druckverhältnis wird in den nachgeschalteten Verdichtern des ersten beziehungsweise zweiten Turboladers nochmals erhöht. Da in den Verdichtern des ersten und des zweiten Abgasturboladers ein sehr hohes Druckverhältnis aufgrund ihrer Größe erzielbar ist, ist es thermodynamisch sinnvoll die kleineren Verdichter stromab der größeren Verdichter anzuordnen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 sind im Abgastrakt ein erster Bypass mit einem ersten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des ersten Abgasturboladers, ein zweiter Bypass mit einem zweiten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des zweiten Abgasturboladers und ein dritter Bypass mit einem dritten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des weiteren und des zusätzlichen Abgasturboladers angeordnet. Durch die Umgehungen der Turbinen sind die entsprechenden Abgasturbolader außer Betrieb zu setzen. Damit ein sinnvoller Betrieb der Abgasturbolader bei entsprechender Schaltung der Bypassventile möglich ist, ist in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ein vierter Bypass mit einem vierten Bypassventil zur Umgehung des ersten und/oder zweiten Abgasturboladers nach dem Verdichter des vierten Abgasturboladers und vor den Verdichtern des ersten und zweiten Abgasturboladers angeordnet.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird die verdichtete Verbrennungsluft durch einen Ladeluftkühler zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine gekühlt, der vorteilhafterweise an einer zentralen Stelle im Ansaugtrakt positioniert ist. Die zentrale Stelle ist eine Position zwischen einer Zusammenführung aller Ansaugleitungen in denen ein Verdichter angeordnet ist und einem Ladeluftsammler.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 ist ein Ladeluftkühler derart angeordnet, dass die in der Niederdruckstufe verdichtete Verbrennungsluft vor der Hochdruckverdichtung gekühlt wird. Diese Anordnung ergibt eine weitere Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 11 ist zur Reinigung des Abgases auch bei eventuell stillgelegten Turbinen infolge geöffneter Bypässe ein Katalysator nach dem dritten Bypass angeordnet.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 ist in einer vorteilhaften Weiterentwicklung zur zusätzlichen Reinigung des Abgases ein Katalysator stromab des Bypasses der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers und stromauf der Zusammenführung der Abgasstränge im ersten Abgasstrang angeordnet.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist in einer vorteilhaften Weiterentwicklung zur zusätzlichen Reinigung des Abgases ein Katalysator stromab des Bypasses der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers und stromauf der Zusammenführung der Abgasstränge im zweiten Abgasstrang angeordnet.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung nach Anspruch 14 weist die Brennkraftmaschine mindestens zwei Zylinderbänke auf, wodurch eine vorteilhafte kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine darstellbar ist.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und
2 ein schematisiertes Diagramm eines Massenstromes m . über einem Druckverhältnis p₂/p₁ der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1, ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug dargestellt, welche einen Ansaugtrakt 7 und einen Abgastrakt 6 aufweist. Dem Ansaugtrakt 7 sind eine erste Ansaugleitung 31 und eine zweite Ansaugleitung 32 zugeordnet. Dem Abgastrakt 6 ist ein erster Abgasstrang 20 und ein zweiter Abgasstrang 21 zugeordnet. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein erster Abgasturbolader 2a und ein zweiter Abgasturbolader 2b zugeordnet. Die Abgasturbolader 2a, 2b umfassen je eine Turbine 4a, 4b, welche über eine drehfeste Welle 5a, 5b mit einem Verdichter 3a, 3b verbunden ist. Die Turbine 4a des ersten Abgasturboladers 2a ist im ersten Abgasstrang 20 des Abgastrakts 6 angeordnet. Die Turbine 4b des zweiten Abgasturboladers 2b ist im zweiten Abgasstrang 21 des Abgastrakts 6 angeordnet. Der Verdichter 3a des ersten Abgasturboladers 2a ist in der Ansaugleitung 31 des Ansaugtrakts 7 angeordnet. Der Verdichter 3b des zweiten Abgasturboladers 2b ist in der Ansaugleitung 32 des Ansaugtrakts 7 angeordnet. Der Abgasstrang 20 weist einen ersten Bypass 56 zur Umleitung von Abgas an der Turbine 4a vorbei auf. Der Abgasstrang 21 weist einen zweiten Bypass 57 zur Umleitung von Abgas an der Turbine 4b vorbei auf.
Die Turbinen 4a und 4b werden vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 angetrieben und treiben über die ihnen zugeordneten Wellen 5a beziehungsweise 5b die entsprechenden Verdichter 3a beziehungsweise 3b an, so dass von den Verdichtern 3a und 3b Verbrennungsluft angesaugt und verdichtet werden kann.
Die Brennkraftmaschine 1 weist zwei Zylinderbänke 10, 11 auf. Die erste Zylinderbank 10 umfasst die Zylinder 12, 13 und 14. Die zweite Zylinderbank 11 umfasst die Zylinder 15, 16 und 17. Der ersten Zylinderbank 10 ist ein erster Abgaskrümmer 18 und der zweiten Zylinderbank 11 ist ein zweiter Abgaskrümmer 19 zugeordnet.
Die Abgasstränge 20 und 21 gehen an einer Zusammenführung 40 stromab der Turbinen 4a und 4b in einen erfindungsgemäßen dritte Abgasstrang 22 des Abgastraktes 6 der Brennkraftmaschine 1 über. Dem Abgasstrang 22 ist eine Turbine 4c eines weiteren Abgasturboladers 2c zugeordnet.
Der Ansaugtrakt 7 der Brennkraftmaschine 1 weist einen Luftfilter 44 zum Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft auf. Stromab des Luftfilters 44 ist eine dritte Ansaugleitung 30 vorgesehen, wobei ein Verdichter 3c des weiteren Abgasturboladers 2c der dritten Ansaugleitung 30 zugeordnet ist. Stromab des Verdichters 3c geht die dritte Ansaugleitung 30 an einer Verzweigung 41 in die erste Ansaugleitung 31 und die zweite Ansaugleitung 32 über.
Der erste Abgaskrümmer 18 der ersten Zylinderbank 10 ist dem ersten Abgasstrang 20 und der zweite Abgaskrümmer 19 der zweiten Zylinderbank 11 ist dem zweiten Abgasstrang 21 zugeordnet.
Der dritte Abgasstrang 22 weist neben der Turbine 4c des weiteren Abgasturboladers 2c eine Turbine 4d eines zusätzlichen Abgasturboladers 2d auf, wobei die Turbine 4d stromab der Zusammenführung 40 und stromauf der Turbine 4c angeordnet ist. Ein Verdichter 3d des zusätzlichen Abgasturboladers 2d ist dem Verdichter 3c des weiteren Abgasturboladers 2c innerhalb der dritten Ansaugleitung 30 nachgeschaltet.
Die Verdichter 3a und 3b des ersten beziehungsweise des zweiten Abgasturboladers 2a, 2b sind parallel und stromab des Verdichters 2c angeordnet.
Dem ersten Bypass 56 des ersten Abgasstrangs 20 des Abgastrakts 6 ist ein erstes Bypassventil 51 zugeordnet, womit die Beaufschlagung der Turbine 4a durch das Abgas regelbar ist. Ebenfalls ist dem zweiten Bypass 57 des zweiten Abgasstrangs 21 des Abgastrakts 6 ein zweites Bypassventil 52 zugeordnet, womit die Beaufschlagung der Turbine 4b durch das Abgas regelbar ist. Des Weiteren ist dem dritten Abgasstrang 22 des Abgastrakts 6 ein dritter Bypass 58 mit einem dritten Bypassventil 53 zugeordnet. Mittels des dritten Bypassventils 53 ist die Beaufschlagung der Turbine 4c und der Turbine 4d durch das Abgas regelbar.
Die erste Ansaugleitung 31 des Ansaugtrakts 7 und die zweite Ansaugleitung 32 des Ansaugtrakts 7 gehen stromab der ihnen zugeordneten Verdichter 3a und 3b an einer weiteren Zusammenführung 42 im Ansaugtrakt 7 in eine vierte Ansaugleitung 33 im Ansaugtrakt 7 über. Zur Ladedruckregelung ist dem Ansaugtrakt 7 der Brennkraftmaschine 1 ein vierter Bypass 55 mit einem vierten Bypassventil 50 zugeordnet. Der vierte Bypass 55 ist stromab der Verzweigung 41 und stromauf der weiteren Zusammenführung 42 angeordnet.
Stromab der Zusammenführung 42 weist die vierte Ansaugleitung 33 einen Ladeluftkühler 45 zum Kühlen der komprimierten Verbrennungsluft auf. Die vierte Ansaugleitung 33 mündet in einen Ladeluftsammler 46 des Ansaugtrakts 7, welcher stromab des Ladeluftkühlers 45 angeordnet ist. Die verdichtete und gekühlte Verbrennungsluft gelangt vom Ladeluftsammler 46 ausgehend über Einlasskanäle 12a, 13a, 14a, 15a, 16a und 17a in die Zylinder 12, 13, 14, 15, 16 und 17. Denkbar ist auch eine Anordnung eines weiteren nicht näher dargestellten Ladeluftkühlers in der dritten Ansaugleitung 30 stromab des Verdichters 3d des zusätzlichen Abgasturboladers 2d und stromauf der Verzweigung 41, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 gesteigert werden kann. Für den Fall, dass auf den vierten Abgasturbolader 2d verzichtet wird, ist der weitere nicht näher dargestellte Ladeluftkühler stromab des Verdichters 3c und stromauf der Verzweigung 41 angeordnet.
Stromab der Turbine 4c des weiteren Abgasturboladers und stromab des dritten Bypasses 58 ist der dritten Abgasleitung 22 ein Katalysator 25 zur Abgasnachbehandlung zugeordnet. Neben dem Katalysator 25 sind beispielsweise auch Katalysatoren innerhalb des ersten und des zweiten Abgasstranges 20 und 21 stromauf der Zusammenführung 40 und stromab der Bypässe 56 beziehungsweise 57 denkbar, so dass das Abgas in diesen beiden Katalysatoren schon einer ersten Reinigung unterzogen wird.
Die Bypassventile 51, 52 und 53 können drei Hauptstellungen einnehmen, die unabhängig voneinander regelbar sind. In der ersten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 geschlossen. Dabei wird das Abgas vollständig durch die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d geführt, derart, dass der entsprechende Verdichter 3a, 3b, 3c, 3d ansaugt und verdichtet.
In der zweiten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 teilweise geöffnet. Dabei wird das Abgas teilweise durch die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d geführt und teilweise an der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d vorbei geleitet wird. Die Beaufschlagung durch das Abgas der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d fällt aufgrund des reduzierten Anteils an Abgas geringer aus als bei der ersten Hauptstellung des Bypassventils 51, 52, 53. Dementsprechend niedriger ist eine Abgasturboladerdrehzahl der Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d.
In der dritten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 vollständig geöffnet. Dabei wird das Abgas vollständig an der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d vorbei geleitet, derart, dass die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d nicht vom Abgas beaufschlagt wird. Der entsprechende Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d ist somit außer Betrieb.
Die vom Verdichter 3c angesaugte Verbrennungsluft wird im Luftfilter 44 gereinigt und im Verdichter 3c von einem Druck p₀ auf einen Druck p_1c komprimiert. Der dem Verdichter 3c nachgeschaltete Verdichter 3d komprimiert die Verbrennungsluft von dem Druck p_1c auf einen Druck p_1d.
Die vom Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird vom Verdichter 3a von dem Druck p_1d auf einen Druck p_1a komprimiert. Die vom Verdichter 3b angesaugte Verbrennungsluft wird vom Verdichter 3b von dem Druck p_1d auf einen Druck p_1b komprimiert.
In der vierten Ansaugleitung 33 wird die Verbrennungsluft der Ansaugleitungen 31 und 32 vermischt, so dass die in der Ansaugleitung 33 geführte Verbrennungsluft einen Druck p₂ aufweist. Über den Ladeluftkühler 45 und den Ladeluftsammler 46 gelangt die Verbrennungsluft mit dem Druck p₂ über Ansaugkanäle 12a, 13a, 14a, 15a, 16a und 17a in die Zylinder 12, 13, 14, 15, 16 und 17.
Über das vierte Bypassventil 50 im Bypass 55, welches zwischen der Verzweigung 41 und der Mündung 42 angeordnet ist, kann die Führung der Verbrennungsluft geregelt werden. Das vierte Bypassventil kann entsprechend dem ersten, zweiten und dritten Bypassventil 51, 52, 53 drei Hauptstellungen einnehmen.
Über die Bypässe 55, 56, 57 und 58 und die Bypassventile 50, 51, 52 und 53 sind die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 1 regelbar. So gilt für das geöffnete Bypassventil 53 in dem Bypass 58, dass die beiden Abgasturbolader 2c und 2d außer Betrieb sind und die von den Verdichtern 3a und 3b angesaugte Verbrennungsluft mit dem Druck p₀ durch die beiden Verdichter 3c und 3d strömt.
Bei geschlossenem Bypassventil 53 im Bypass 58 sind die beiden Abgasturbolader 2c und 2d in Betrieb und die von dem Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird in dem Verdichter 3c von dem Druck p₀ auf den Druck p_1c komprimiert. Anschließend wird die Verbrennungsluft in dem Verdichter 3b auf den Druck p_1d komprimiert. Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ebenfalls geschlossen sind, kann sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d wird von dem Verdichter 3a auf den Druck p_1a verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d wird von dem Verdichter 3b auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck p_2,gesch aufweist. Der Druck p_2,gesch ist der maximal mögliche Druck der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet ist und das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, verteilt sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p₀ wird von dem Verdichter 3a auf den Druck p_1a verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p₀ wird von dem Verdichter 3b auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 einen Druck p_{2,off_1} aufweist. Da die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d nicht verdichtet wird, ist der Druck p_{2,off_1} kleiner als der Druck p_2,gesch.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet, das Bypassventil 50 im Bypass 55 teilweise geöffnet und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, verteilt sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p₀ nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 geleitet. Der erste Teil der Verbrennungsluft wird im Verdichter 3a auf den Druck p_1a verdichtet und der zweite Teil der Verbrennungsluft wird im Verdichter 3b auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 sowie des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck p_{2,off_2} aufweist. Da die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d nicht verdichtet wird und ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck p_{2,off_2} kleiner als der Druck p_{2,off_1}. Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck p_{2,off_2} regelbar, wobei gilt, dass der Druck p_{2,off_2} immer kleiner wird, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Wenn die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet sind, wird von den Zylindern 12, 13, 14, 15, 16 und 17 die Verbrennungsluft mit einem Druck p₀ angesaugt, da alle vier Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet ist und das Bypassventil 50 ebenfalls geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft mit dem Druck p₀ durch die Verdichter 3c und 3d geleitet. Da das Bypassventil 50 geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck p₀ besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b auftreten könnte.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geschlossen, das Bypassventil 50 im Bypass 55 teilweise geöffnet und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, kann sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils geleitet und weist den Druck p_1d auf. So wird der erste Teil der Verbrennungsluft von dem Verdichter 3a von dem Druck p_1d auf den Druck p_1a verdichtet. Der zweite Teil der Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3b von dem Druck p_1d auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 und des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck p_{2,gesch_1} aufweist. Da ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck p_{2,gesch_1} kleiner als der Druck p_2,gesch. Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck p_{2,gesch_1} regelbar. Der Druck p_{2,gesch_1} wird immer kleiner, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Sind die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet, so weist die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler den Druck p_1d auf, da die Abgasturbolader 2a und 2b nun außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geschlossen und das Bypassventil 50 geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d auf den Druck p_1a verdichtet und weist an der Verzweigung 41 im Ansaugtrakt 7 den Druck p_1d auf. Aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck p_1d besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b auftreten könnte.
Bei teilweise geöffnetem Bypassventil 53 in dem Bypass 58, sind die beiden Abgasturbolader 2c und 2d mit verminderter Drehzahl in Betrieb und die von dem Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird in dem Verdichter 3c von dem Druck p₀ auf einen Druck p_1c,teil komprimiert. Anschließend wird die Verbrennungsluft in dem Verdichter 3b auf einen Druck p_1d,teil weiter komprimiert. Der Druck p_1d,teil ist kleiner als der Druck p_1d und größer als der Druck p₀. Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ebenfalls geschlossen sind, kann sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d wird von dem Verdichter 3a auf den Druck p_1a verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d wird von dem Verdichter 3b auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 einen Druck p_2,teil aufweist. Da die Abgasturbolader 3c und 3d mit reduzierter Abgasturboladerdrehzahl rotieren, ist der Druck p_2,teil kleiner als der Druck p_2,gesch.
Ist das Bypassventil 53 teilweise geöffnet und das Bypassventil 50 im Bypass 55 ist ebenfalls teilweise geöffnet und sind die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen, so verteilt sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p_1d nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils geleitet und weist den Druck p_1d auf. Der erste Teil der Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3a von dem Druck p_1d auf den Druck p_1a verdichtet. Der zweite Teil der Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3b von dem Druck p_1d auf den Druck p_1b verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 und des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck p_{2,teil_1} aufweist. Da ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck p_{2,teil_1} kleiner als der Druck p_2,teil. Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck p_{2,teil_1} regelbar, wobei gilt, dass der Druck p_{2,teil_1} immer kleiner wird, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Sind die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet, so weist die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler den Druck p_{1d,teil_1} auf, da die Abgasturbolader 2a und 2b nun außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 teilweise geöffnet ist und das Bypassventil 50 vollständig geöffnet ist wird die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d auf den Druck p_{1d,teil_1} verdichtet und weist an der Verzweigung 41 im Ansaugtrakt 7 den Druck p_1d,teil auf. Aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck p_1d,teil besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b möglich ist.
Je nach Betriebspunkt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 kann aufgrund der Anordnung der Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d jeder Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d einzeln abgeschaltet werden. Werden beispielsweise die Zylinder 12, 13 und 14 für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht benötigt, so kann der Abgasturbolader 2a stillgelegt werden, indem das Bypassventil 51 geöffnet wird. Ist das Bypassventil 50 im Ansaugtrakt 7 geschlossen, so wird die vom Verdichter 3c angesaugte und verdichtete Verbrennungsluft im Verdichter 3d nochmals verdichtet und im Verdichter 3b wiederum noch einmal verdichtet. Da der Abgasturbolader 2a ruht, wird keine Verbrennungsluft vom Verdichter 3a angesaugt und verdichtet. Entsprechendes gilt bei einer Stilllegung des Abgasturboladers 2b, wobei hier das Bypassventil 52 geöffnet wird. Der Druck p₂ im Ladeluftsammler entspricht einem Druck p_2,still.
Neben der V-förmigen Anordnung der Zylinderbänke ist ebenso eine Anordnung der Zylinder nebeneinander, das heißt in einer Reihe angeordnet, denkbar. Die Brennkraftmaschine 1 weist dann nach den Zylindern 12, 13, 14, 15, 16, 17 mindestens zwei Abgaskrümmer oder einen zweiflutigen Abgaskrümmer auf, damit jedem Abgaskrümmer oder jeder Flut des zweiflutigen Abgaskrümmers je ein Abgasstrang zuzuordnen ist. Durch diese Trennung der Abgasführung ist eine parallele Anordnung des ersten und des zweiten Abgasturboladers möglich. Da durch diese Trennung der erste und der zweite Abgasturbolader klein ausführbar sind, ist die Ausführung der Abgasturbolader entsprechend einer Hochdruckstufe realisierbar. Diese Hochdruckstufe erst ermöglicht einen sehr hohen Ladedruck p₂.
Ebenso denkbar ist die Zusammenfassung des dritten und vierten Abgasturboladers, die Abgasturbolader der Niederdruckstufe, in einem Abgasturbolader.
2 zeigt ein schematisiertes Diagramm eines Massenstromes m . über einem Druckverhältnis p₂/p₁. Im Diagramm sind die Linien der Massenströme m . unterschiedlicher Aufladeverfahren dargestellt. Der Verlauf des Massenstromes m . der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 wird von der durchgezogenen Linie a dargestellt. Eine gestrichelte Linie b zeigt eine Abgasturboladerkombination entsprechend einer Registeraufladung. Eine punktierte Linie c zeigt eine Abgasturboladerkombination entsprechend einer zweistufige Aufladung.

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugtrakt (7), der mindestens eine erste Ansaugleitung (31) und eine zweite Ansaugleitung (32) aufweist, mit einem Abgastrakt (6), der mindestens einen ersten Abgasstrang (20) und einen zweiten Abgasstrang (21) aufweist, mit mindestens zwei Abgasturboladern (2a, 2b), die jeweils eine Turbine (4a, 4b) und einen über eine drehfeste Welle (5a, 5b) mit der Turbine (4a, 4b) verbundenen Verdichter (3a, 3b) aufweisen, welcher in einer Ansaugleitung (31, 32) angeordnet ist, wobei dem ersten Abgasstrang (20) mindestens die Turbine (4a) des ersten Abgasturboladers (2a) und dem zweiten Abgasstrang (21) mindestens die Turbine (4b) des zweiten Abgasturboladers (2b) zugeordnet ist, mit mindestens zwei Bypässen (56, 57) zur Umleitung von Abgas und/oder Verbrennungsluft und mit mindestens einem ersten Abgaskrümmer (18) und einem zweiten Abgaskrümmer (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) einen dritten Abgasstrang (22) stromab einer Zusammenführung (40) des ersten und zweiten Abgasstranges (20, 21) mit mindestens einer Turbine (4c) eines weiteren Abgasturboladers (2c) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Abgaskrümmer (18) der erste Abgasstrang (20) und dem zweiten Abgaskrümmer (19) der zweite Abgasstrang (21) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ansaugtrakt (7) mindestens eine dritte Ansaugleitung (30) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abgasstrang (22) neben der Turbine (4c) des weiteren Abgasturboladers (2c) eine Turbine (4d) eines zusätzlichen Abgasturboladers (4d) aufweist, welche stromab der Zusammenführung (40) und stromauf der Turbine (4c) des weiteren Abgasturboladers (2c) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (3c) des weiteren Abgasturboladers (2c) einem Verdichter (3d) des zusätzlichen Abgasturboladers (2d) vorgeschaltet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (3a, 3b) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (2a, 2b) parallel angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (3a, 3b) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (2a, 2b) stromab des Verdichters (3c) des weiteren Abgasturboladers (2c) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgastrakt (6) den ersten Bypass (56) mit einem ersten Bypassventil (51), den zweiten Bypass (57) mit einem zweiten Bypassventil (52) sowie einen dritten Bypass (58) mit einem dritten Bypassventil (53) und der Ansaugtrakt (7) einen vierten Bypass (55) mit einem vierten Bypassventil (50) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) nach einer Zusammenführung (42) der ersten Ansaugleitung (31), der zweiten Ansaugleitung (32) und des vierten Bypasses (55) einen Ladeluftkühler (45) aufweist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine 1 einen weiteren Ladeluftkühler in der dritten Ansaugleitung (30) stromab des Verdichters (3d) des zusätzlichen Abgasturboladers (2d) und stromauf einer Verzweigung (41) der dritten Ansaugleitung (30) im Ansaugtrakt (7) aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (25) stromab des dritten Bypasses (58) in dem dritten Abgasstrang (22) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator stromab des ersten Bypasses (56) und stromauf der Zusammenführung (40) im ersten Abgasstrang (20) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator stromab des zweiten Bypasses (57) und stromauf der Zusammenführung (40) im zweiten Abgasstrang (21) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine oder mehrere Zylinderbänke aufweist.