DE102014216814A1 - Exhaust Turbo-charged internal combustion engine and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Abgasturboladern (8, 9) und mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern (3), wobei der mindestens eine Zylinderkopf (2) an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist und jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4a, 4b) aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung (4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) anschließt, bei der – die Abgasleitungen (5a) der zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) von mindestens zwei Zylindern (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (7a) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) eines ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und – die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) eines zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, wobei – die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) innerhalb des Zylinderkopfes (2) zu den zwei Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) zusammenführen, und – die eine Gesamtabgasleitung (7a, 7b) auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung (7a, 7b) angeordnet ist und die beiden Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) entlang der Längsachse (10a) des Zylinderkopfes (2) unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet sind, wobei der Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) dem Abstand von zwei benachbarten Auslassöffnungen (4a, 4b) eines Zylinders (3) entspricht.Supercharged internal combustion engine (1) having at least two exhaust gas turbochargers (8, 9) and at least one cylinder head (2) with at least two arranged in series along a longitudinal axis of the cylinder head cylinders (3), wherein the at least one cylinder head (2) on a mounting end face can be connected to a cylinder block and each cylinder (3) has at least two outlet openings (4a, 4b), of which at least one is formed as connectable outlet opening (4a), and to each outlet opening (4a, 4b) an exhaust pipe (5a, 5b ), in which - the exhaust pipes (5a) of the switchable outlet openings (4a) of at least two cylinders (3) together to form a first exhaust manifold (6a) to a first total exhaust line (7a), which with the turbine (8a) of a first Exhaust gas turbocharger (8) is connected, and - the exhaust pipes (5b) of the other outlet openings (4b) of the at least two cylinders (3) to form a second exhaust gas merge (6b) to a second total exhaust line (7b) which is connected to the turbine (9a) of a second exhaust gas turbocharger (9), wherein - the exhaust pipes (5a, 5b) of the at least two cylinders (3) within the cylinder head (2 ) to the two total exhaust pipes (7a, 7b) merge, and - the one exhaust gas line (7a, 7b) on the side facing away from the mounting end side of the other exhaust line (7a, 7b) is arranged and the two total exhaust gas lines (7a, 7b) along the longitudinal axis (10a) of the cylinder head (2) are offset with the formation of a distance Δ, wherein the distance Δ between the two total exhaust pipes (7a, 7b) corresponds to the distance of two adjacent outlet openings (4a, 4b) of a cylinder (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern und mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist und jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, bei der
- – die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und
- – die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.
- - Merge the exhaust pipes of the switchable outlet openings of at least two cylinders to form a first exhaust manifold to a first total exhaust gas line, which is connected to the turbine of a first exhaust gas turbocharger, and
- - Merge the exhaust pipes of the other outlet openings of the at least two cylinders to form a second exhaust manifold to a second total exhaust pipe, which is connected to the turbine of a second exhaust gas turbocharger.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes, in particular gasoline engines, but also diesel engines and hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as an additional auxiliary drive additionally delivers power.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected together to form the cylinder on a mounting end face. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires control devices - usually in the form of globe valves - and actuators to operate these controls. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train. Often, the cylinder head serves to accommodate the valve train.
Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Brennraumes mit Frischgemisch bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.As part of the charge exchange, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings of the cylinder and the filling of the combustion chambers, d. H. the intake of the fresh mixture or the charge air via the inlet openings. It is the task of the valve drive to open and close the inlet and outlet openings in good time, with the aim of rapidly releasing as large flow cross sections as possible in order to keep the throttling losses in the inflowing and outflowing gas flows low, and to ensure the best possible filling of the combustion chamber Fresh mixture or an effective, d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, according to the prior art, the cylinders are often equipped with two or more inlet and outlet ports. Also, the at least two cylinders of the internal combustion engine, which is the subject of the present invention, are equipped with at least two outlet openings.
Die Einlasskanäle, die zu den Einlassöffnungen führen, und die Auslasskanäle, d. h. Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei das Teilstück der Gesamtabgasleitung, welches stromaufwärts einer in der Gesamtabgasleitung angeordneten Turbine liegt, erfindungsgemäß als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird.The inlet ducts leading to the inlet openings and the outlet ducts, d. H. Exhaust pipes that connect to the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art. The exhaust pipes of the cylinders are usually combined to form a common exhaust gas line or - as in the internal combustion engine according to the invention - in groups to two or more total exhaust gas lines. The combination of exhaust pipes to an overall exhaust line is generally and in the context of the present invention referred to as the exhaust manifold, wherein the portion of the total exhaust line, which is located upstream of a turbine arranged in the entire exhaust line, according to the invention as belonging to the exhaust manifold.
Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt und gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.Downstream of the manifold, the exhaust gases in the present case are supplied to the turbines of at least two exhaust-gas turbochargers for charging the internal combustion engine and optionally one or more systems for exhaust-gas aftertreatment.
Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The advantages of an exhaust gas turbocharger, for example compared to a mechanical supercharger, are that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. An exhaust gas turbocharger includes a compressor and a turbine mounted on the same shaft are arranged, wherein the hot exhaust gas flow is supplied to the turbine and relaxes with energy release in this turbine, whereby the shaft is rotated. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby charging of the at least two cylinders is achieved. Optionally, a charge air cooling is provided, with which the compressed combustion air is cooled before entering the cylinder.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads in which the specific fuel consumption is lower.
Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.The design of the exhaust gas turbocharger often causes difficulties, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. In the prior art, however, a strong torque drop is observed when falling below a certain speed. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. For example, if the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. As a result, at lower speeds, the boost pressure ratio also decreases, which is equivalent to a torque drop.
Grundsätzlich könnte dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu geringeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen, d. h. großen Abgasmengen, uneingeschränkt möglich sein soll.In principle, the drop in charge pressure could be counteracted by reducing the size of the turbine cross-section and the associated increase in the turbine pressure ratio. Thus, the torque drop is only shifted towards lower speeds. In addition, this approach, d. H. the reduction of the turbine cross-section limits, since the desired charging and power increase even at high speeds, d. H. large amounts of exhaust gas, should be possible without restriction.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine is tried to improve in the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine by means of a bypass line as part of the so-called exhaust gas blow-off. This approach has the disadvantage that the charging behavior at higher speeds or larger amounts of exhaust gas is insufficient.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further characterized by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines with a smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Abgasturboladern ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wobei eine Turbine als zuschaltbare Turbine ausgebildet ist, welche nur bei größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt, d. h. aktiviert wird.A supercharged internal combustion engine having at least two exhaust gas turbochargers arranged in parallel is also the subject matter of the present invention, wherein a turbine is designed as a switchable turbine, which is exposed to exhaust gas only in the case of relatively large quantities of exhaust gas, d. H. is activated.
Dabei ist man bemüht, die Turbinen möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise zum einen die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und zum anderen ein schnelles Ansprechverhalten der Turbolader zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird daher auch grundsätzlich angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und den Turbinen zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann.It is endeavored to arrange the turbines as close as possible to the exhaust ports of the cylinder, in order to be able to optimally use the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, in this way, and on the other a quick response of the turbocharger to ensure. In this connection, it is therefore also fundamentally desirable to minimize the thermal inertia and the volume of the piping system between the outlet openings of the cylinders and the turbines, which can be achieved by reducing the mass and the length of the exhaust pipes.
Um die Drehmomentcharakteristik der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu verbessern, werden die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern gruppenweise in der Art zusammen geführt, dass von jedem dieser Zylinder mindestens eine Abgasleitung zu der Turbine des ersten Abgasturboladers und mindestens eine Abgasleitung zu der Turbine des zweiten Abgasturboladers führt.In order to improve the torque characteristics of the internal combustion engine according to the invention, the exhaust pipes of at least two cylinders are grouped together in such a way that leads from each of these cylinders at least one exhaust pipe to the turbine of the first exhaust gas turbocharger and at least one exhaust pipe to the turbine of the second exhaust gas turbocharger.
Erfindungsgemäß ist die Turbine des ersten Abgasturboladers, d. h. die erste Turbine, als zuschaltbare Turbine ausgebildet und die Auslassöffnungen der zu dieser Turbine führenden Abgasleitungen sind – dazu korrespondierend – als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgeführt. Nur bei größeren Abgasmengen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die erste Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.According to the invention, the turbine of the first exhaust-gas turbocharger, ie the first turbine, is constructed as a switchable turbine and the outlet openings of the exhaust-gas pipes leading to this turbine are correspondingly designed as switchable outlet openings. Only with larger amounts of exhaust gas are the switchable Outlet openings opened in the context of the change of charge and thereby activates the first turbine, that is exposed to exhaust gas.
Im Vergleich zu Konzepten, bei denen stromaufwärts der beiden Turbinen ein einziges zusammenhängendes Abgasleitungssystem vorgesehen ist, verbessert sich durch die vorstehend beschriebene Gruppierung, d. h. die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgaskrümmer, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine; insbesondere bei kleinen Abgasströmen, da das Leitungsvolumen stromaufwärts der kontinuierlich von Abgas durchströmten zweiten Turbine durch diese Maßnahme verkleinert wird, was bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, vorteilhaft ist und insbesondere auch das Ansprechverhalten verbessert.Compared to concepts in which a single contiguous exhaust pipe system is provided upstream of the two turbines, the grouping described above, that is to say, increases. H. the use of two separate exhaust manifold, the performance of the internal combustion engine; in particular with small exhaust gas flows, since the line volume upstream of the second turbine continuously flowed through by exhaust gas is reduced by this measure, which at low loads or rotational speeds, ie. H. small amounts of exhaust gas, is advantageous and in particular also improves the response.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die ein verbessertes Betriebsverhalten hinsichtlich der Abgasturbolaufladung aufweist.In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1 having improved exhaust gas turbocharging performance.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Abgasturboladern und mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, wobei der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist und jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, bei der
- – die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen von mindestens zwei Zylindern unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und
- – die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist,
- – die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu den zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen, und
- – die eine Gesamtabgasleitung auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet ist und die beiden Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet sind, wobei der Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen dem Abstand von zwei benachbarten Auslassöffnungen eines Zylinders entspricht.
- - Merge the exhaust pipes of the switchable outlet openings of at least two cylinders to form a first exhaust manifold to a first total exhaust gas line, which is connected to the turbine of a first exhaust gas turbocharger, and
- To merge the exhaust gas lines of the other outlet openings of the at least two cylinders to form a second exhaust gas manifold to form a second overall exhaust gas line which is connected to the turbine of a second exhaust gas turbocharger,
- - Merge the exhaust pipes of the at least two cylinders within the cylinder head to the two total exhaust pipes, and
- - Is arranged an overall exhaust line on the side facing away from the mounting end side of the other exhaust line and the total two exhaust gas lines along the longitudinal axis of the cylinder head to form a distance Δ offset, wherein the distance Δ between the two exhaust pipes total the distance from two adjacent outlet openings of a Cylinder corresponds.
Erfindungsgemäß werden die Abgasleitungen sowohl der zuschaltbaren Auslassöffnungen als auch der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers innerhalb des Zylinderkopfes zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt.According to the invention, the exhaust gas lines of both the switchable outlet openings and the other outlet openings are each brought together to form an integrated exhaust manifold within the cylinder head to form an overall exhaust gas line.
Wie bereits erwähnt, ist man grundsätzlich bemüht, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um den Weg der heißen Abgase zum Turbinenlaufrad möglichst kurz und das Leitungsvolumen stromaufwärts des Turbinenlaufrades klein zu halten. Die weitestgehende Integration der Abgasleitungen bzw. der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf ist dabei zielführend.As already mentioned, it is fundamentally endeavored to arrange the turbine of an exhaust-gas turbocharger as close as possible to the outlet openings of the cylinders in order to keep the path of the hot exhaust gases to the turbine runner as short as possible and the line volume upstream of the turbine runner small. The most extensive integration of the exhaust pipes and the exhaust manifold in the cylinder head is purposeful.
Die Länge der Abgasleitungen wird durch eine Integration in den Zylinderkopf verringert. Zum einen wird dadurch das Leitungsvolumen, d. h. das Abgasvolumen der Abgasleitungen stromaufwärts einer Turbine verkleinert, so dass das Ansprechverhalten dieser Turbine verbessert wird. Zum anderen führen die verkürzten Abgasleitungen auch zu einer geringeren thermischen Trägheit des Abgassystems stromaufwärts der Turbine, so dass die Temperatur der Abgase am Turbineneintritt erhöht ist, weshalb auch die Enthalpie der Abgase am Eintritt der Turbine höher ist. Gegebenenfalls vorgesehene Abgasnachbehandlungssysteme erreichen schneller eine erforderliche Mindestbetriebstemperatur. Die erfindungsgemäße Integration der Abgasleitungen gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit.The length of the exhaust pipes is reduced by integration into the cylinder head. On the one hand thereby the line volume, d. H. reduces the exhaust gas volume of the exhaust pipes upstream of a turbine, so that the response of this turbine is improved. On the other hand, the shortened exhaust pipes also lead to a lower thermal inertia of the exhaust system upstream of the turbine, so that the temperature of the exhaust gases is increased at the turbine inlet, which is why the enthalpy of the exhaust gases at the inlet of the turbine is higher. Optionally provided exhaust aftertreatment systems achieve a required minimum operating temperature faster. The integration of the exhaust pipes according to the invention also allows the densest possible packaging of the drive unit.
Erfindungsgemäß sind die Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet.According to the invention, the total exhaust gas lines are arranged offset along the longitudinal axis of the cylinder head to form a distance Δ.
Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtabgasleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt trotz kompakter Bauweise genügend Bauraum zwischen den Gesamtabgasleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtabgasleitungen entlang der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert auch die Anordnung von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen, falls eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll.The offset allows a compact design of the cylinder head and at the same time ensures a sufficiently large distance of the total exhaust gas lines from each other. In this way, despite a compact design enough space between the exhaust pipes remains compared to embodiments in which the Total exhaust gas lines along the cylinder head longitudinal axis have no offset. This also facilitates the arrangement of coolant channels in the cylinder head between the two exhaust pipes, if a liquid cooling is to be provided.
Erfindungsgemäß liegen die beiden Abgaskrümmer zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander, denn die eine Gesamtabgasleitung ist auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet.According to the invention, the two exhaust manifolds are at least partially superimposed, d. H. in the direction of a cylinder longitudinal axis spaced from one another, because the one exhaust line is arranged on the side facing away from the mounting end side of the other total exhaust line.
Erfindungsgemäß entspricht der Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen dem Abstand von zwei benachbarten Auslassöffnungen eines Zylinders. Diese Ausführungsform führt zu einem gewissen symmetrischen Aufbau des Zylinderkopfes bzw. der Abgasabführsysteme und einer symmetrischen Anordnung der Abgaskrümmer im Zylinderkopf, wodurch unter anderem die Gasdynamik in den Abgasabführsystemen und damit die Aufladung verbessert werden.According to the invention, the distance Δ between the two exhaust gas lines corresponds to the distance between two adjacent outlet openings of a cylinder. This embodiment leads to a certain symmetrical design of the cylinder head and the Abgasabführsysteme and a symmetrical arrangement of the exhaust manifold in the cylinder head, which among other things, the gas dynamics in the Abgasabführsystemen and thus the charge can be improved.
Durch die Symmetrie werden eine Ähnlichkeit der Abgaskrümmer und damit eine Ähnlichkeit der Sandkerne der im Zylinderkopf integrierten Abgasleitungen der beiden Krümmer gewährleistet und realisiert. Infolgedessen kann für beide Krümmer jeweils ein Sandkern derselben Gestalt verwendet werden, wobei der Sandkern des einen Krümmers der beiden teilweise übereinander liegenden Krümmer zu den Auslassöffnungen hin lediglich um Verlängerungsstücke ergänzt werden muss. Die Ähnlichkeit der Sandkerne führt zu einer Kostenersparnis im Rahmen der Fertigung mittels Gießen.The symmetry ensures and realizes a similarity of the exhaust manifolds and thus a similarity of the sand cores of the exhaust pipes of the two manifolds integrated in the cylinder head. As a result, a sand core of the same shape can be used for both manifolds, wherein the sand core of the one manifold of the two partially stacked manifolds to the outlet openings only needs to be supplemented by extension pieces. The similarity of the sand cores leads to a cost saving in the production by means of casting.
Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die ein verbessertes Betriebsverhalten hinsichtlich der Abgasturbolaufladung aufweist.Thus, the first object of the invention is achieved, namely to provide a supercharged internal combustion engine, which has an improved performance with respect to the exhaust gas turbocharging.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf hat auch den Vorteil, dass an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden kann, in der Art, dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.The integration of the exhaust manifold in the cylinder head also has the advantage that can be participated in an optionally provided in the cylinder head liquid cooling, in the way that the manifold does not have to be made of thermally highly resilient and thus costly materials.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt zudem zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.The integration of the exhaust manifold in the cylinder head also leads to a smaller number of components and thus to a reduction in costs, in particular the installation and deployment costs.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch zwei Zylinderköpfe aufweisen. Erfindungsgemäß müssen nicht die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder eines Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen, sondern nur die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern in der beschriebenen Weise verbunden werden.An internal combustion engine according to the invention may also have two cylinder heads. According to the invention, the exhaust pipes of all the cylinders of a cylinder head need not merge into two total exhaust pipes, but only the exhaust pipes of at least two cylinders are connected in the manner described.
Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen, bei denen die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder des mindestens einen Zylinderkopfes zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammenführen.However, embodiments in which the exhaust gas lines of all the cylinders of the at least one cylinder head merge to form two total exhaust gas lines are particularly advantageous.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen gilt: 3mm ≤ ∆ ≤ 45mm.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the following applies to the distance Δ between the two total exhaust gas lines are advantageous: 3 mm ≦ Δ ≦ 45 mm.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen gilt: 5mm ≤ ∆ ≤ 40mm.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the following applies to the distance Δ between the two total exhaust gas lines are also advantageous: 5 mm ≦ Δ ≦ 40 mm.
Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand ∆ zwischen den zwei Gesamtabgasleitungen gilt: 20mm ≤ ∆ ≤ 35mmEmbodiments of the supercharged internal combustion engine in which the following applies to the distance Δ between the two exhaust gas lines are particularly advantageous: 20 mm ≦ Δ ≦ 35 mm
Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Die Anforderungen an den erfindungsgemäßen Zylinderkopf sind besonders hoch. Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass aufgeladene Brennkraftmaschinen thermisch besonders hoch belastet sind. Aufgrund der Integration der Abgaskrümmer steigt die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes nochmals, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind.The cylinder head of an internal combustion engine is basically a thermally and mechanically highly loaded component. The requirements for the cylinder head according to the invention are particularly high. It should be noted in this context that supercharged internal combustion engines are subject to particularly high thermal loads. Due to the integration of the exhaust manifold, the thermal load of the internal combustion engine or the cylinder head increases again, so that increased demands are placed on the cooling.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.Therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which liquid cooling is provided are advantageous.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Der mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbare Zylinderblock kann ebenfalls mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet sein.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the at least one cylinder head is equipped with at least one integrated coolant jacket are advantageous. The cylinder block which can be connected to the at least one cylinder head can likewise be equipped with at least one integrated coolant jacket.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung in Gestalt einer Luftkühlung oder einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Bei der Luftkühlung wird die Brennkraftmaschine mit einem Gebläse versehen, wobei der Wärmeabtransport mittels einer über die Oberfläche des Zylinderkopfes geführten Luftströmung erfolgt.In principle, it is possible to carry out the cooling in the form of air cooling or liquid cooling. In the air cooling, the internal combustion engine is provided with a fan, wherein the heat dissipation takes place by means of a guided over the surface of the cylinder head air flow.
Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Daher ist es vorteilhaft, thermisch hoch belastete Brennkraftmaschinen mit einer Flüssigkeitskühlung auszustatten. Due to the higher heat capacity of liquids compared to air can be dissipated with the liquid cooling much larger amounts of heat than is possible with air cooling. Therefore, it is advantageous to equip thermally highly loaded internal combustion engines with a liquid cooling.
Eine Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung des Zylinderkopfes mit mindestens einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei muss die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und dem Kühlmittel in einem Wärmetauscher wieder entzogen. Der Wärmetauscher wird hierzu häufig und vorzugsweise im Front-End-Bereich des Fahrzeuges angeordnet, wo eine ausreichend große Luftströmung den erforderlichen Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Luft gewährleistet.Liquid cooling requires the equipment of the cylinder head with at least one coolant jacket, d. H. the arrangement of the coolant through the cylinder head leading coolant channels, which causes a complex structure of the cylinder head construction. In this case, the heat need not be directed to the cylinder head surface, as in the case of air cooling, in order to be dissipated. The heat is already released inside the cylinder head to the coolant, usually a water-glycol mixture. The coolant is conveyed by means of a pump arranged in the cooling circuit, so that it circulates in the coolant jacket. The heat emitted to the coolant heat is dissipated in this way from the interior of the cylinder head and removed from the coolant in a heat exchanger again. The heat exchanger is this often and preferably arranged in the front-end region of the vehicle, where a sufficiently large air flow ensures the required heat exchange between the coolant and air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel sich auch zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen erstreckt. Dies schließt insbesondere Ausführungsformen ein, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel eine gedachte um die beiden Gesamtabgasleitungen gelegte Einhüllende, d. h. Umhüllende durchtritt, d. h. schneidet.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the at least one coolant jacket also extends between the two overall exhaust gas lines are advantageous. In particular, this includes embodiments in which the at least one coolant jacket has an imaginary envelope placed around the two overall exhaust lines, i. H. Envelope passes, d. H. cuts.
Im Bereich der Gesamtabgasleitungen ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet, da die beiden Gesamtabgasleitungen im Gegensatz zu einer einzelnen Abgasleitung mit größeren Abgasmengen beaufschlagt werden, d. h. die absolute Menge an Abgas, die Wärme an den Zylinderkopf abgibt, ist vergleichsweise groß. Zum anderen sind die Gesamtabgasleitungen nahezu kontinuierlich mit heißen Abgasen beaufschlagt, wohingegen eine Abgasleitung eines Zylinders nur während des Ladungswechsels des jeweiligen Zylinders von heißem Abgas durchströmt wird.In the area of the total exhaust gas lines, the cylinder head is subjected to particularly high thermal loads, since the two exhaust gas lines are exposed to larger quantities of exhaust gas, in contrast to a single exhaust gas line. H. the absolute amount of exhaust gas that gives off heat to the cylinder head is comparatively large. On the other hand, the total exhaust gas lines are almost continuously exposed to hot exhaust gases, whereas an exhaust pipe of a cylinder is only flowed through during the change of charge of the respective cylinder of hot exhaust gas.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf, der mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist.In supercharged internal combustion engines with at least one cylinder head, which is equipped with at least one integrated coolant jacket, embodiments are advantageous, which is characterized in that the at least one integrated coolant jacket has a lower coolant jacket, which is arranged between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head, and an upper coolant jacket disposed on the side of the exhaust pipes opposite to the lower coolant jacket.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen in einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die Gesamtabgasleitungen austreten, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which at least one connection between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves for the passage of coolant, is provided at a distance to the exhaust gas lines in an outer wall of the cylinder head from which the total exhaust gas lines emerge.
Über die mindestens eine Verbindung in der Außenwandung des Zylinderkopfes kann Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen und umgekehrt. Damit ist im Zylinderkopf mindestens eine Verbindung auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite der integrierten Abgaskrümmer angeordnet. Die mindestens eine Verbindung liegt somit gewissermaßen außerhalb der integrierten Abgaskrümmer.Coolant can flow out of the lower coolant jacket into the upper coolant jacket via the at least one connection in the outer wall of the cylinder head, and vice versa. This is arranged in the cylinder head at least one compound on the side facing away from the at least two cylinders of the integrated exhaust manifold. The at least one connection is thus so to speak outside the integrated exhaust manifold.
Bei der Verbindung handelt es sich vorliegend um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Austausch von Kühlmittel zwischen den beiden Kühlmittelmänteln ermöglicht und realisiert wird.In the present case, the connection is a breakthrough or flow channel which connects the lower coolant jacket to the upper coolant jacket and enables and realizes an exchange of coolant between the two coolant jackets.
Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes, ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung.On the one hand, cooling basically also takes place in the region of the outer wall of the cylinder head. On the other hand, the conventional longitudinal flow of the coolant, d. H. the coolant flow in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head, supplemented by a coolant transverse flow, which runs transversely to the longitudinal flow and preferably approximately in the direction of the cylinder longitudinal axes. The coolant flow passed through the at least one connection contributes significantly to the heat dissipation. In particular, a suitable dimensioning of the cross section of the at least one connection can specifically influence the flow velocity of the coolant in the connection and thus the heat dissipation in the region of this at least one connection.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der untere und der obere Kühlmittelmantel nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden sind, sondern sich die mindestens eine Verbindung nur über einen Teilbereich der Außenwandung erstreckt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung gesteigert werden, was den Wärmeübergang durch Konvektion erhöht. Vorteile bietet dies auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit des Zylinderkopfes.In this context, embodiments of the cylinder head in which the lower and the upper coolant jacket are not connected to one another over the entire area of the outer wall are advantageous, but the at least one connection only extends over a partial area of the outer wall. Thereby, the flow velocity can be increased in the at least one compound, which the heat transfer through Convection increased. This also offers advantages in terms of the mechanical strength of the cylinder head.
Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt.The cooling of the cylinder head can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the upper and lower coolant jacket, which in turn increases the speed in the at least one connection, which leads to increased heat transfer due to convection.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Verbindung benachbart zu den Gesamtabgasleitungen angeordnet, da der Bereich um die Gesamtabgasleitungen thermisch besonders hoch belastet ist, wie oben bereits ausführlich dargelegt wurde.Preferably, the at least one connection is arranged adjacent to the total exhaust gas lines, since the area around the total exhaust gas lines is subjected to particularly high thermal loads, as has already been explained in detail above.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, die zur Betätigung der Ventile der zuschaltbaren Auslassöffnungen mit einem schaltbaren Ventiltrieb ausgestattet sind, wobei beispielsweise ein als Nockenfolgeelement dienender und im Kraftfluss befindlicher Stößel als zuschaltbarer Stößel ausgebildet wird.Advantageously, embodiments of the supercharged internal combustion engine, which are equipped to actuate the valves of the switchable outlet openings with a switchable valve train, for example, serving as a cam follower and located in the power flow plunger is designed as a switchable plunger.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der eine Abgasturbolader seitlich und benachbart zum Zylinderkopf und der andere Abgasturbolader seitlich und benachbart zum Zylinderblock angeordnet ist. Diese Konfiguration sorgt für eine motornahe Anordnung beider Turbinen in Richtung Zylinderlängsachse übereinander und ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the one exhaust gas turbocharger is arranged laterally and adjacent to the cylinder head and the other exhaust gas turbocharger laterally and adjacent to the cylinder block are advantageous. This configuration ensures a close-to-motor arrangement of the two turbines in the direction of the cylinder longitudinal axis and a dense packaging of the entire drive unit.
Die eingesetzten Turbinen können mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet sein, die durch Verstellen an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst wird. The turbines used can be equipped with a variable turbine geometry, which is adjusted by adjusting to the respective operating point of the internal combustion engine.
Insbesondere die zweite Turbine kann auch als Waste-Gate-Turbine ausgeführt werden, bei der Abgas via Bypassleitung an der Turbine vorbeigeführt wird, sobald der Abgasmassenstrom eine kritische Größe überschreitet. Hierzu ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorzusehen.In particular, the second turbine can also be designed as a waste-gate turbine, in which exhaust gas is bypassed via bypass line to the turbine as soon as the exhaust gas mass flow exceeds a critical size. For this purpose, a shut-off is to be provided in the bypass line.
Die Bypassleitung kann stromabwärts der Turbinen in eine der beiden Gesamtabgasleitungen münden oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch in den ersten Abgaskrümmer stromaufwärts der ersten Turbine.The bypass line can open downstream of the turbines in one of the two exhaust pipes total or, according to a preferred embodiment, in the first exhaust manifold upstream of the first turbine.
Bei Ausführungsformen der letztgenannten Art kann die Bypassleitung dann in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, das Laufrad der ersten zuschaltbaren Turbine kurz vor Aktivierung durch Öffnen der Bypassleitung zu beschleunigen.In embodiments of the latter type, the bypass line can then be used advantageously to accelerate the impeller of the first switchable turbine shortly before activation by opening the bypass line.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die bei einer geringen Abgasmenge deaktivierten zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert werden, sobald die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge übersteigt.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for operating an internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method in which the switchable exhaust ports deactivated at a low exhaust gas quantity are activated as soon as the exhaust gas quantity exceeds a predefinable exhaust gas quantity.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren. Das Aktivieren der Auslassöffnungen ist gleichbedeutend mit dem Zuschalten der ersten Turbine. Ein vorheriges Beschleunigen der zuschaltbaren Turbine via einer gegebenenfalls vorgesehenen Bypassleitung einer als Waste-Gate-Turbine ausgeführten zweiten Turbine bleibt davon unberührt.The comments made in connection with the internal combustion engine according to the invention also apply to the inventive method. The activation of the outlet openings is equivalent to the connection of the first turbine. A previous acceleration of the switchable turbine via an optionally provided bypass line designed as a waste-gate turbine second turbine remains unaffected.
Bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine korrespondiert die Abgasmenge näherungsweise mit der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Abgasmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.In a non-supercharged internal combustion engine, the amount of exhaust gas corresponds approximately to the speed and / or the load of the internal combustion engine, depending on the load control used in the individual case. In a traditional gasoline engine with a quantity control system, the exhaust gas quantity increases with increasing load even at constant speed, whereas the exhaust gas quantity in traditional quality controlled diesel engines only depends on the engine speed, because the load composition and constant speed will vary the mixture composition but not the mixture quantity.
Liegt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine Quantitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Menge an Frischgemisch gesteuert wird, kann die Abgasmenge die relevante, d. h. die vorgebbare Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl übersteigen, wenn die Last der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Last übersteigt, da die Abgasmenge mit der Last korreliert, wobei die Abgasmenge mit zunehmender Last steigt und mit abnehmender Last sinkt.If the internal combustion engine according to the invention is based on a quantity control in which the load is controlled by the amount of fresh mixture, the amount of exhaust gas can determine the relevant, d. H. exceed the predetermined amount of exhaust gas even at a constant speed when the load of the internal combustion engine exceeds a predetermined load, since the amount of exhaust gas correlates with the load, the amount of exhaust gas increases with increasing load and decreases with decreasing load.
Liegt der Brennkraftmaschine hingegen eine Qualitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Zusammensetzung des Frischgemischs gesteuert wird und sich die Abgasmenge nahezu ausschließlich mit der Drehzahl ändert, d. h. proportional zur Drehzahl ist, übersteigt die Abgasmenge unabhängig von der Last die vorgebbare Abgasmenge, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl übersteigt.On the other hand, if the internal combustion engine is based on a quality control in which the load is controlled by the composition of the fresh mixture and the amount of exhaust gas changes almost exclusively with the rotational speed, d. H. is proportional to the speed, the amount of exhaust gas, regardless of the load exceeds the predetermined amount of exhaust gas when the speed of the internal combustion engine exceeds a predetermined speed.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine, so dass zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite zu berücksichtigen ist, der sich mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluss auf die Abgasmenge hat. Die vorstehend dargelegten Zusammenhänge betreffend die Abgasmenge und die Last bzw. Drehzahl gelten folglich in dieser allgemeinen Form nur bedingt. Daher stellt das erfindungsgemäße Verfahren ganz allgemein auf die Abgasmenge ab und nicht auf die Last bzw. Drehzahl.The internal combustion engine according to the invention is a supercharged internal combustion engine, so that in addition the charge pressure on the intake side is to be considered, which can change with the load and / or the speed and has an influence on the exhaust gas quantity. The above Consequences relating to the amount of exhaust gas and the load or speed therefore apply only conditionally in this general form. Therefore, the method according to the invention is generally based on the amount of exhaust gas and not on the load or speed.
Wenn die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge wieder unterschreitet, werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen erneut deaktiviert und mit diesen die zuschaltbare Turbine.If the amount of exhaust gas falls below a predefinable amount of exhaust gas again, the switchable outlet openings are deactivated again and with these the switchable turbine.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert werden, sobald die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge übersteigt und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt1 größer ist als diese vorgegebene Abgasmenge.Advantageous are process variants in which the switchable outlet openings are activated as soon as the amount of exhaust gas exceeds a predefinable amount of exhaust gas and for a predeterminable period Δt 1 is greater than this predetermined amount of exhaust gas.
Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Zuschalten der ersten Turbine soll ein zu häufiges Umschalten verhindern, insbesondere ein Aktivieren der zuschaltbaren Auslassöffnungen, wenn die Abgasmenge nur kurzzeitig die vorgegebene Abgasmenge überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Abgasmenge schwankt, ohne dass das Überschreiten ein Zuschalten der ersten Turbine rechtfertigen würde.The introduction of an additional condition for the connection of the first turbine is to prevent too frequent switching, in particular an activation of the switchable exhaust ports, if the exhaust gas only briefly exceeds the predetermined amount of exhaust gas and then falls again or fluctuates by the predetermined value for the amount of exhaust gas, without that exceeding would justify a connection of the first turbine.
Aus den zuvor genannten Gründen sind auch Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die zuschaltbaren Auslassöffnungen deaktiviert werden, sobald die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge unterschreitet und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt2 kleiner ist als diese vorgegebene Abgasmenge.For the aforementioned reasons, process variants are also advantageous in which the switchable outlet openings are deactivated as soon as the exhaust gas quantity falls below a predefinable exhaust gas quantity and is smaller than this predetermined exhaust gas quantity for a predefinable time interval Δt 2 .
Ist die zweite Turbine eine Waste-Gate-Turbine, deren Bypassleitung stromaufwärts der ersten Turbine in den ersten Abgaskrümmer mündet, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die erste zuschaltbare Turbine kurz vor Aktivierung durch Öffnen eines in der Bypassleitung angeordneten Absperrelementes beschleunigt wird.If the second turbine is a wastegate turbine whose bypass line opens into the first exhaust manifold upstream of the first turbine, embodiments of the method are advantageous in which the first switchable turbine is accelerated shortly before activation by opening a shut-off element arranged in the bypass line.
Aus den oben genannten Gründen sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen die bei einer geringen Abgasmenge deaktivierten zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert werden, sobald die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine vorgebbare Drehzahl nmot übersteigt.For the reasons mentioned above, method variants are advantageous in which the switchable outlet openings which are deactivated when the exhaust gas quantity is low are activated as soon as the rotational speed of the internal combustion engine exceeds a specifiable rotational speed n mot .
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den
Bei der in
Jeweils eine Auslassöffnung
Die Abgasleitungen
Wie aus
Vorliegend führen die Abgasleitungen
Bei den in
Die Abgasleitungen
Wie aus
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- aufgeladene Brennkraftmaschine charged internal combustion engine
- 22
- Zylinderkopf cylinder head
- 33
- Zylinder cylinder
- 4a4a
- zuschaltbare Auslassöffnung switchable outlet opening
- 4b4b
- Auslassöffnung outlet
- 5a5a
- Abgasleitung exhaust pipe
- 5b5b
- Abgasleitung exhaust pipe
- 6a6a
- erster Abgaskrümmer first exhaust manifold
- 6b6b
- zweiter Abgaskrümmer second exhaust manifold
- 7a7a
- erste Gesamtabgasleitung first total exhaust gas line
- 7b7b
- zweite Gesamtabgasleitung second total exhaust line
- 88th
- erster Abgasturbolader first exhaust gas turbocharger
- 8a8a
- erste Turbine, zuschaltbare Turbine first turbine, switchable turbine
- 8b8b
- erster Verdichter first compressor
- 99
- zweiter Abgasturbolader second exhaust gas turbocharger
- 9a9a
- zweite Turbine second turbine
- 9b9b
- zweiter Verdichter second compressor
- 1010
- Parallele zur Längsachse des Zylinderkopfes Parallel to the longitudinal axis of the cylinder head
- 10a10a
- Längsachse des Zylinderkopfes Longitudinal axis of the cylinder head
- 11a11a
- erste Ansaugleitung first suction line
- 11b11b
- zweite Ansaugleitung second intake pipe
- 1212
- Plenum plenum
- nmot n mot
- Drehzahl der Brennkraftmaschine Speed of the internal combustion engine
- ∆Δ
- Abstand der Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes Distance of the total exhaust gas lines along the longitudinal axis of the cylinder head
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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