DE102006042443A1

DE102006042443A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006042443A1
Application number: DE102006042443A
Authority: DE
Inventors: Jan Dr. Tribulowski; Kurt Dusl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-09-09
Filing date: 2006-09-09
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine mit acht Zylindern in V-Bauart, wobei einer ersten Zylindergruppe ein erster Abgasstrang (1a) und einer zweiten Zylindergruppe ein zweiter Abgasstrang (1b) zugeordnet ist und wobei ein Zündabstand in der ersten Zylindergruppe und in der zweiten Zylindergruppe jeweils 180° beträgt, wobei der erste Abgasstrang (1a) in einen ersten Abgaseinlass eines ersten Abgasturboladers (2) und einen ersten Abgaseinlass eines zweiten Abgasturboladers (3) und der zweite Abgasstrang (1b) in einen zweiten Abgaseinlass des ersten Abgasturboladers (2) und in einen zweiten Abgaseinlass des zweiten Abgasturboladers (3) abgasführend mündet und dass in Strömungsrichtung eines Abgases hinter einem Abgasturbolader (2, 3) ein Drosselorgan (6) angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine bei gleichzeitig hoher spezifischer Leistung gesenkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die japanische Offenlegungsschrift JP-A-03151519 hingewiesen. In dieser ist eine Reihensechszylinder-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Zylinder in zwei Gruppen unterteilt sind, wobei jeder Zylindergruppe ein eigener Abgaskrümmer zugeordnet ist. Jeder Abgaskrümmer beaufschlägt zwei parallel zueinander angeordnete Twinscroll-Abgasturbolader mit Abgas.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 057 129 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Abgasanlage für eine mager betreibbare Brennkraftmaschine mit acht Zylindern beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist eine erste Zylindergruppe mit einem ersten Abgasstrang sowie eine zweite Zylindergruppe mit einem zweiten Abgasstrang auf. Jedem Abgasstrang ist eine Abgasreinigungsanlage zugeordnet. Beide Abgasstränge sind vor den Abgasreinigungsanlagen über ein Stellelement gasführend miteinander verbindbar. Zwischen der Verbindungsstelle und den beiden Abgasreinigungsanlagen sind zwei Abgasturbolader angeordnet. Je nach Stellung des Stellelementes sind entweder beide Abgasturbolader mit Abgas aus beiden Abgassträngen beaufschlagbar oder nur ein einziger Abgasturbolader mit dem Abgas aus beiden Abgassträngen. Mit dem Stellelement ist somit der Abgasmassenstrom durch die Abgasturbolader einstellbar.
Aus einer noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung, der DE 10 2005 047 890 , ist ein Abgaskrümmer für eine gattungsgemäße achtzylindrige Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Zylinder der Brennkraftmaschine einen Zündabstand von 90° aufweisen. Der Abgaskrümmer besteht im Wesentlichen aus zwei Teilabgaskrümmern, wobei jeder Teilabgaskrümmer für eine Zylindergruppe vorgesehen ist, so dass der Zündabstand der Zylindergruppe 180° beträgt.
Bei der gattungsgemäßen Brennkraftmaschine beträgt der Zündabstand der Zylindergruppe, wie bereits dargestellt, 180° im Biturbobetrieb je Teilabgaskrümmer. Wird ein Abgasturbolader abgeschaltet, z. B. in einem Betriebspunkt mit niedriger Drehzahl und hoher Last, wo sinkt der Zündabstand auf 90°, da alle acht Zylinder diesen einen Abgasturbolader mit Abgas beaufschlagen. Dieser Fall wird im Folgenden nun betrachtet:

1. Beispielsweise öffnet das Auslassventil von Zylinder 5 90° nach dem Auslassventil des Zylinders 1. Der Abgasausstoß von Zylinder 5 liegt somit genau im Öffnungsbereich des Auslassventils von Zylinder 1. Somit kann infolge des hohen Abgasdrucks Abgas in den Zylinder 1 zurückströmen (bei einem Zündabstand von 180°, d. h. wenn beide Abgasturbolader mit Abgas beaufschlagt sind, dem sog. Biturbobetrieb, ist dies nicht möglich). Dies führt in der Folge zu einer erhöhten Ausschiebearbeit und der Restgasanteil in den Zylindern steigt. Der steigende Restgasanteil führt aufgrund der höheren Temperaturen zu höherer Klopfempfindlichkeit. Damit steigt der Anfettungsbedarf (mehr Kraftstoff wird dem Zylinder zugeführt als notwendig) und ein späterer Zündwinkel ist erforderlich. Beides führt zu einem abnehmenden Wirkungsgrad und höherem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine, da kein Durchspülen der Zylinder möglich ist. (Das Durchspülen von Luft durch die Zylinder bei bestimmten Ventilüberschneidungen führt zur Abnahme des Restgasgehaltes und erhöht den Verdichter- und Turbinenwirkungsgrad bei gleichzeitig größerem Abstand zur Verdichterpumpgrenze).
2. Das Stellglied, der Abschaltmechanismus, des abzuschaltenden Abgasturboladers liegt in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Turbolader. An dieser Stelle wird der Abschaltmechanismus mit einer stark pulsierenden Abgasströmung beaufschlagt und ist sehr hohen Abgastemperaturen ausgesetzt. Die Anforderungen an die Dichtheit und die Funktion sind dadurch extrem hoch. Weiterhin ist der konstruktive Aufwand aufgrund dieser Problematik sehr hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor aufgeführten Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs dadurch gelöst, dass Twinscroll-Abgasturbolader zum Einsatz kommen und dass das Drosselorgan hinter einem Abgasturbolader angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zu folgenden Vorteilen:

Zu 1. Der Zündabstand für die jeweiligen Zylindergruppen bleibt unabhängig vom Abgasturboladerbetrieb immer bei 180°: – Der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird gesenkt bei gleichzeitig hoher spezifischer Leistung. – Durch den niedrigeren Restgasanteil in den Zylindern ist die Brennkraftmaschine wesentlich klopfunempfindlicher. – Es besteht ein wesentlich geringerer Anfettungsbedarf, wodurch der Kraftstoffverbrauch ebenfalls abgesenkt wird. – Das Durchspülen der Brennkraftmaschine ist auch im Einladerbetrieb möglich; dadurch ist ein größerer Abgasturbolader verwendbar und eine weitere Absenkung des Restgasanteils ist möglich.
Zu 2. Anordnung des Stellelementes in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasturbolader: – Geringere thermische Belastung des Stellelementes. – Gleichmäßigere Druckbeaufschlagung des Stellelementes. – Einfacher konstruktiver Aufbau und Ansteuerung des Stellelementes. – Einfach im Fahrzeugpackage unterbringbar, da auch eine Anordnung z. B. im Unterboden, nach dem Vorkatalysator möglich ist.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 verringert die Abgasemissionen.
Die Anordnung gemäß Patentanspruch 3 bewirkt ein äußerst kompaktes Package für die Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Abgasanlage.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen schematisch dargestellten Figur näher erläutert.
1 zeigt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Abgasanlage für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit acht Zylindern.
Eine Brennkraftmaschine weist 8 Zylinder 1' bis 8' auf, wobei ein erster Zylinder 1', ein vierter Zylinder 4', ein fünfter Zylinder 5' und ein achter Zylinder 8' eine erste Zylindergruppe bilden. Ein zweiter Zylinder 2', ein dritter Zylinder 3', ein sechster Zylinder 6' und ein siebter Zylinder 7' bilden eine zweite Zylindergruppe. Der ersten Zylindergruppe ist ein erster Abgasstrang 1a und der zweiten Zylindergruppe ist ein zweiter Abgasstrang 1b zugeordnet, die gemeinsam einen Teil einer gesamten, nicht vollständig dargestellten Abgasanlage 1 bilden. Der erste und der zweite Abgasstrang 1a, 1b münden jeweils in einen ersten und einen zweiten Abgaseinlass eines ersten Abgasturboladers 2 und eines zweiten Abgasturboladers 3. Die Abgasanlage 1 ist nach den zwei Abgasturboladern 2, 3 zweiflutig ausgeführt und weist in Strömungsrichtung eines Abgases hinter dem zweiten Abgasturbolader 3 ein Drosselorgan 6 auf. In Strömungsrichtung des Abgases hinter jedem Abgasturbolader 2, 3 sind weiter eine erste Abgasreinigungsanlage 4 sowie eine zweite Abgasreinigungsanlage 5 angeordnet.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine durchströmt das Abgas die Abgasanlage 1 und durchflutet den Turbinenteil des ersten und des zweiten Abgasturboladers 2, 3 und treibt die Verdichter der Abgasturbolader 2, 3 an. Die Verdichter saugen Frischluft über eine Sauganlage 7 an, zuerst durch einen Ansauggeräuschdämpfer 8, verdichten anschließend die Ansaugluft und fördern diese verdichtet weiter durch einen ersten Ladeluftkühler 9 und einen zweiten Ladeluftkühler 10. Die Sauganlage 7 weist nach den zwei Verdichtern und vor dem ersten und dem zweiten Ladeluftkühler 9, 10 eine nicht näher bezifferte Kurzschlussleitung auf. Ausgehend von dem ersten Ladeluftkühler 9 und dem zweiten Ladeluftkühler 10 wird die verdichtete und abgekühlte Ansaugluft einem ersten Luftsammler 11 und einem zweiten Luftsammler 12 zugeführt, und anschließend auf die einzelnen Zylinder 1' bis 8' verteilt und in verbranntem Zustand als Abgas wieder der Abgasanlage 1 zugeführt.
Wird die Brennkraftmaschine mit einer niedrigen Drehzahl bei gleichzeitig hoher Last betrieben, so kann die Abgasmasse durch den zweiten Abgastur bolader 3 mit Hilfe des Stellelementes 6 gedrosselt, bzw. auf Null reduziert werden. Die halbe bis vollständige Abgasmasse aus den acht Zylindern 1' bis 8' durchströmt dann den ersten Abgasturbolader 2. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Abgasanlage 1 im heißen V der Brennkraftmaschine angeordnet, da somit die geringsten Strömungsverluste bei gleichzeitig kompaktester Bauform erzielt ist.
Zusätzlich zum Drosselorgan 6 im Abgasstrang 1 kann auch zwischen dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers 3 sowie dem zweiten Ladeluftkühler 10 ein weiteres Drosselelement vorgesehen werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können beide Verdichter der Abgasturbolader 2, 3 auch einen Bypass aufweisen. Wiederum in einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Drosselorgan 6 in Strömungsrichtung des Abgases auch hinter einer Abgasreinigungsanlage 4, 5 angeordnet sein. Unter Inkaufnahme der o. g. Nachteile kann das Drosselorgan 6 in Strömungsrichtung des Abgases auch, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, vor einem Abgasturbolader 2, 3 angeordnet werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergeben sich insgesamt folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:

Zu 1. Der Zündabstand für die jeweiligen Zylindergruppen bleibt unabhängig vom Abgasturboladerbetrieb (ein oder zwei Abgasturbolader aktiv) immer bei 180°: – Der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird gesenkt bei gleichzeitig hoher spezifischer Leistung. – Durch den niedrigeren Restgasanteil in den Zylindern ist die Brennkraftmaschine wesentlich klopfunempfindlicher. – Es besteht ein wesentlich geringerer Anfettungsbedarf, wodurch der Kraftstoffverbrauch ebenfalls abgesenkt wird. – Das Durchspülen der Brennkraftmaschine ist auch im Einladerbetrieb möglich; dadurch ist ein größerer Abgasturbolader verwendbar und eine weitere Absenkung des Restgasanteils ist möglich.
Zu 2. Anordnung des Stellelementes in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasturbolader: – Geringere thermische Belastung des Stellelementes. – Gleichmäßigere Druckbeaufschlagung des Stellelementes. – Einfacher konstruktiver Aufbau und Ansteuerung des Stellelementes. – Einfach im Fahrzeugpackage unterbringbar, da auch eine Anordnung z. B. im Unterboden, nach dem Vorkatalysator möglich ist.

1: Abgasanlage
1a: erster Abgasstrang
1b: zweiter Abgasstrang
2: erster Abgasturbolader
3: zweiter Abgasturbolader
4: erste Abgasreinigungsanlage
5: zweite Abgasreinigungsanlage
6: Drosselorgan
7: Sauganlage
8: Ansauggeräuschdämpfer
9: erster Ladeluftkühler
10: zweiter Ladeluftkühler
11: erster Luftsammler
12: zweiter Luftsammler
1': erster Zylinder
2': zweiter Zylinder
3': dritter Zylinder
4': vierter Zylinder
5': fünfter Zylinder
6': sechster Zylinder
7': siebenter Zylinder
8': achter Zylinder

Claims

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine mit acht Zylindern in V-Bauart, wobei einer ersten Zylindergruppe ein erster Abgasstrang (1a) und einer zweiten Zylindergruppe ein zweiter Abgasstrang (1b) zugeordnet ist und wobei ein Zündabstand in der ersten Zylindergruppe und in der zweiten Zylindergruppe jeweils 180° beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgasstrang (1a) in einen ersten Abgaseinlass eines ersten Abgasturboladers (2) und einen ersten Abgaseinlass eines zweiten Abgasturboladers (3) und der zweite Abgasstrang (1b) in einen zweiten Abgaseinlass des ersten Abgasturboladers (2) und in einen zweiten Abgaseinlass des zweiten Abgasturboladers (3) abgasführend mündet und dass in Strömungsrichtung eines Abgases hinter einem Abgasturbolader (2, 3) ein Drosselorgan (6) angeordnet ist.
Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases hinter zumindest einem Abgasturbolader (2, 3) eine Abgasreinigungsanlage angeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (1) im V zwischen der ersten und der zweiten Zylindergruppe angeordnet ist.