DE10354280A1

DE10354280A1 - Kompakter turbogeladener Motor mit Zylinderabschaltung

Info

Publication number: DE10354280A1
Application number: DE10354280A
Authority: DE
Inventors: Ko-Jen Troy Wu; Jack T. Howell Doyle; James C. Oxford Elmslie
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2004-06-17
Also published as: US6786190B2; US20040099242A1

Abstract

Ein Kraftfahrzeugmotor umfasst mehrere Leistung erzeugende Zylinder, die eine erste Gruppe von Abschaltungszylindern, die während des Motorbetriebes selektiv abgeschaltet werden können, und eine zweite Gruppe von Zylindern, die eine fortgesetzte Leistungsproduktion während der Abschaltung der ersten Gruppe liefern können, umfassen. Ein Lufteinlasssystem umfasst einen Turboladerverdichter, der mit Einlassventilen aller Zylinder verbunden ist, um den Zylindern Ladeluft zuzuführen. Ein Abgassystem umfasst eine Turbine, die zum Antreiben des Verdichters angeschlossen ist und Doppelspiralen umfasst, wobei erste und zweite Abgasstromkanäle die Turbine separat mit Auslassventilen der ersten Gruppe von Zylindern und mit Auslassventilen der zweiten Gruppe von Zylindern verbinden. Bei hohen Lasten arbeitet der Motor mit allen Zylindern und ist für eine maximale Leistung turbogeladen. Bei niedrigeren Lasten kann die erste Gruppe von Zylindern abgeschaltet werden, und der Motor kann durch die zweite Gruppe von Zylindern angetrieben werden, um eine erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhalten.

Description

Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren und insbesondere turbogeladene Motoren mit einer Zylinderabschaltung, insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen.

Es ist auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugmotoren bekannt, dass die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessert werden kann, indem die Motorzylinder in zwei oder mehr Gruppen unterteilt werden und die Einlass- und Auslassventile von einer der Zylindergruppen zum Betrieb des Motors bei geringeren Lasten, bei dem die erforderliche Leistung durch die verbleibenden Zylinder entfaltet werden kann, abgeschaltet werden. Es ist auch vorgeschlagen worden, den Arbeitswirkungsgrad zu verbessern, indem ein relativ klein dimensionierter Motor verwendet wird und dann seine maximale Leistung durch Turboladen erhöht wird. Auf diese Weise kann der Betrieb unter Bedingungen ohne Turboladung in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch wirtschaftlicher gestaltet werden, indem die Drosselung verringert wird, die benötigt wird, um den Motor bei den niedrigeren Lastniveaus zu betreiben, die für den größeren Teil des Fahrbetriebes des Fahrzeuges erforderlich sind.

Um diese Motorkonzepte zu kombinieren, ist vorgeschlagen worden, mehrere Turbolader vorzusehen, aber die komplexen Einlass- und Auslasssysteme, die für derartige Anordnungen notwendig sind, haben die praktische Ausführbarkeit einer derartigen Anordnung nachteilig beeinflusst.

Die vorliegende Erfindung stellt eine kompakte, praktisch ausführbare Konstruktion bereit, die die Vorteile von sowohl der Zylinderabschaltung als auch der Turboladung vereint. Der Motor ist vorzugsweise mit einer geraden Anzahl von Zylindern versehen, die in zwei Gruppen unterteilt sind, so dass die Zündintervalle der Zylinder in jeder Gruppe gleichmäßig beabstandet sind. Zumindest eine der Gruppen von Zylindern ist mit Ventilabschaltungseinrichtungen versehen, so dass der Betrieb dieser Zylindergruppe unterbrochen werden kann, während der Motor mit den Zylindern der anderen Gruppe arbeitet.

Es ist vorzugsweise ein einziger Turbolader für den Motor vorgesehen. Der Turbolader hat eine Konstruktion mit doppelter oder geteilter Spirale (Zwillingsstromturbine; engl: twin scroll), bei der die Abgase der beiden Gruppen von Zylindern dem Turbinenrad über separate Wege im Abgassammelrohr (Auspuffkrümmer) und durch die separaten Turbinenspiralen zugeführt werden, wo die Gase aus separaten Auslässen in dem Turbinengehäuse auf das Turbinenrad auftreffen.

Wenn der Motor mit allen Zylindern betrieben wird, werden die Abgase aller Zylinder dazu benutzt, den Turbolader anzutreiben, um somit die Ausgangsleistung zu maximieren, wenn Bedingungen mit maximaler Beschleunigung oder Drehzahl erforderlich sind. Sonst arbeiten die Motorzylinder bei geringeren Lasten und der Turbolader rotiert frei.

Um den Motorwirkungsgrad bei niedrigeren Lasten zu verbessern, kann eine erste Gruppe von Zylindern abgeschaltet werden, so dass die Einlassgasströmung und Abgas- oder Auslassgasströmung durch die abgeschalteten Zylinder und zur Turbine unterbrochen ist. Die zweite Gruppe von Zylindern fährt jedoch fort, mit einem höheren Lastfaktor zu arbeiten, welcher effizienter ist. Abgas von der zweiten, nicht abgeschalte ten Gruppe von Zylindern wird dem Turbolader zugeführt und fährt fort, eine Rotation des Turbinenrades während der Zylinderabschaltungsperiode aufrechtzuerhalten. Anschließend, wenn nach einer wesentlich erhöhten Leistung verlangt wird, werden die abgeschalteten Zylinder wieder voll in Betrieb genommen und können ein nahezu sofortiges Ansprechen des Turboladers bereit stellen, der während der Betriebsart des Motors mit Zylinderabschaltung in einem rotierenden Zustand gehalten worden ist.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt:
die einzige Figur eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors mit einer Tauglichkeit für sowohl einen turbogeladenen Betrieb als auch einen Betrieb mit Zylinderabschaltung und der einen einzigen Turbolader mit geteilter Spirale aufweist.
In der Zeichnung gibt Bezugszeichen 10 allgemein einen turbogeladenen Kraftfahrzeugmotor an, der einen Zylinderblock oder -rahmen 12 umfasst, der beispielsweise sechs in einer einzigen Zylinderbank 16 ausgerichtete Zylinder 14 aufweist.
Die Motorzylinder 14 sind mit Einlassventilen 18 und Auslassventilen 20 versehen, die durch ein geeignetes Ventilbetätigungsgetriebe, nicht gezeigt, betrieben werden. Die Zylinder sind zu Betriebszwecken in zwei Gruppen unterteilt. Eine erste Gruppe 22, die Zylinder 1, 2 und 3 umfasst, ist mit Ventilabschaltungseinrichtungen 24 versehen. Eine zweite Gruppe 26, die Zylinder 4, 5 und 6 umfasst, weist herkömmliche Ventilmechanismen ohne Abschaltungseinrichtungen auf, obwohl derartige Abschaltungseinrichtungen nach Wunsch vorgesehen werden könnten. Beide Gruppen von Zylindern weisen vorzugsweise gleichmäßig beabstan dete Zündintervalle von 240 Kurbelwellengraden 120 Grad von den Zylindern der anderen Gruppe versetzt auf.
Der Motor ist mit einem einzigen Turbolader 28 versehen, der einen Verdichter 30 und eine Turbine 32 zum Antreiben des Verdichters aufweist. Der Verdichter weist einen Lufteinlass 34 auf und entlädt durch eine Ladeleitung 36 und einen Ladeluftkühler 38 zu einem Einlassverteilerrohr 40, das Ladeluft direkt auf die Einlassventile 18 zum Einlass in die Motorzylinder 14 verteilt.
Ein Abgassammelrohr 42 ist mit den Auslassventilen der Motorzylinder verbunden. Die Abgase von der ersten Gruppe 22 von Zylindern 1 bis 3 werden jedoch durch erste Kanäle 44 zu einer ersten Spirale 46 der Turbine geleitet. Ähnlich werden die Abgase von der zweiten Gruppe 26 von Zylindern 4 bis 6 durch zweite Kanäle 48 des Abgassammelrohrs 42 zu einer zweiten Spirale 50 der Turbine geleitet. Verbrauchte Gase werden aus dem Turbinenabgasauslass 52 ausgetragen.
Im Betrieb des Motors 10 wird, wenn alle Zylinder zünden, Einlassluft durch den Verdichter 30 und den Ladeluftkühler 38 in den Einlassverteiler 40 hineingezogen und gleichmäßig auf die sechs Motorzylinder 14 verteilt. Abgase aus den Zylindern 14 werden an die separaten Spiralen 46, 50 der Turbine 32 geliefert, und die Gase werden in dem Turbinenrad, nicht gezeigt, vermischt. Die vermischten Abgase treiben den Turbolader 28 mit höheren Leistungsniveaus an, um den Druck der Ladeluft für einen Betrieb mit erhöhter Leistung wie erforderlich zu verstärken.
Wenn der Motor unter Betriebsbedingungen eines Reisens oder einer Fahrt in der Stadt mit mittlerer Drehzahl betrieben wird, was wesentlich weniger als die maximale Motorleistung erfordert, können die Ventile der ersten Gruppe 22 von Zylindern 1 bis 3 abgeschaltet werden, wodurch der Luftstrom durch die Zylinder und zu der ersten Spirale 46 der Turbine 32 gesperrt wird. Die zweite Gruppe 26 von Zylindern 4 bis 6 fährt fort, Luft durch das Einlassluftsystem 28, 38, 40 aufzunehmen und Abgas durch das Abgassammelrohr 42 zu der zweiten Spirale 50 der Turbine auszutragen. Die ausgetragenen Abgase erhalten während gewöhnlicher Fahrbedingungen die Drehung des Turbinenrades aufrecht, so dass die Turbine warm und rotierend gehalten wird. Somit ist der Turbolader für eine prompte Zuschaltung durch eine erhöhte Ladung von Abgasen über eine Wiederzuschaltung der abgeschalteten Zylinder bereit, um schnell eine wesentlich erhöhte Motorleistung bis hin zu einer maximalen Leistung bereit zu stellen. Es ist dementsprechend ersichtlich, dass die relativ kompakte Kombination eines Motors mit einer Turbine mit einer einzigen geteilten Spirale und einer Zylinderabschaltung ein kompaktes aber effektives Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors bereit stellt, während die Anforderung für einen Betrieb mit maximaler Leistung mit einer minimalen Verzögerung erfüllt wird. Die Kombination sorgt auch für einen kompakten Motor, der in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist, bei einem Minimum an Komplexität und Kosten.
Ein erfindungsgemäßer Motor kann wie gewünscht irgendeine Anzahl von Zylindern von mehr als einem aufweisen. Eine gerade Anzahl von Zylindern, die gleichmäßig zwischen zwei Gruppen aufgeteilt ist, ist bevorzugt. Jedoch könnten die Zylindergruppen eine ungleiche Zahl von Zylindern aufweisen, und es könnte mehr als zwei Gruppen geben, um eine Abschaltung der Gruppen in Stufen zuzulassen. Eine Steuerung der Zylinderabschaltung kann auf irgendeine geeignete Weise bereit gestellt werden, um die Ziele eines erhöhten Arbeitswirkungsgrades in Kombination mit einer erhöhten Motorleistung, die in der Lage ist, die Anforderungen eines zugehörigen Fahrzeuges zu erfüllen, zu erreichen.
Zusammengefasst umfasst ein Kraftfahrzeugmotor mehrere Leistung erzeugende Zylinder, die eine erste Gruppe von Abschaltungszylindern, die während des Motorbetriebes selektiv abgeschaltet werden können, und eine zweite Gruppe von Zylindern, die eine fortgesetzte Leistungsproduktion während der Abschaltung der ersten Gruppe liefern können, umfassen. Ein Lufteinlasssystem umfasst einen Turboladerverdichter, der mit Einlassventilen aller Zylinder verbunden ist, um den Zylindern Ladeluft zuzuführen. Ein Abgassystem umfasst eine Turbine, die zum Antreiben des Verdichters angeschlossen ist und Doppelspiralen umfasst, wobei erste und zweite Abgasstromkanäle die Turbine separat mit Auslassventilen der ersten Gruppe von Zylindern und mit Auslassventilen der zweiten Gruppe von Zylindern verbinden. Bei hohen Lasten arbeitet der Motor mit allen Zylindern und ist für eine maximale Leistung turbogeladen. Bei niedrigeren Lasten kann die erste Gruppe von Zylindern abgeschaltet werden, und der Motor kann durch die zweite Gruppe von Zylindern angetrieben werden, um eine erhöhte Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhalten.

Claims

Kraftfahrzeugmotor, umfassend: einen Motorblock (12) mit mehreren Zylindern (14), Einlass- und Auslassventile (18, 20), die betreibbar sind, um den Zugang von Ladeluft zu und den Austrag von Abgas aus den Zylindern (14) zu steuern, einen Turbolader (28) mit einem Verdichter (30) zum Zuführen von Ladeluft und einer Turbine (32), die durch Abgas angetrieben werden kann, um den Verdichter (30) anzutreiben und somit die Ladeluft selektiv unter Druck zu setzen, ein Einlassverteilerrohr (40), das den Verdichter (30) mit Einlasskanälen verbindet, die den Einlassventilen (18) Luft zuführen, ein Abgassammelrohr (42), das die Auslassventile (20) mit der Turbine (32) zum Antreiben des Verdichters (30) verbindet, und ein Ventilgetriebe, das betreibbar ist, um eine normale Betätigung aller Motorventile vorzusehen und die Motorventile von zumindest einigen der Motorzylinder (1, 2, 3) selektiv abzuschalten, wobei die Ventile von abgeschalteten Zylindern (1, 2, 3) während der Abschaltung geschlossen sind, um die Luft- und Abgasströmung durch die abgeschalteten Zylinder zu unterbrechen, wobei die Turbine (32) ein unterteiltes Gehäuse mit separaten Kanälen zum Befördern von Abgas zur Turbine (32) aufweist, und das Abgassammelrohr (42) separate Auslässe (44, 48) aufweist, die mit separaten Turbinengehäusekanälen (46, 50) verbunden sind, wobei zumindest einer der Abgasrohrauslässe (44) mit einer ersten Gruppe (22) von Zylindern (1, 2, 3), die abgeschaltet werden kann, verbunden ist, und der andere der Abgasrohrauslässe (48) mit einer zweiten Gruppe (26) von Zylindern (4, 5, 6) verbunden ist, die in Betrieb bleiben kann, wenn die erste Gruppe (1, 2, 3) abgeschaltet ist.
Kraftfahrzeugmotor, umfassend: mehrere Leistung erzeugende Zylinder (1, 2, 3, 4, 5, 6), die eine erste Gruppe (22) von Abschaltungszylindern (1, 2, 3), die während des Motorbetriebes selektiv abgeschaltet werden kann, und eine zweite Gruppe (26) von Zylindern (4, 5, 6) umfassen, die während der Abschaltung der ersten Gruppe (22) fortgesetzt Leistung abgeben kann, ein Einlasssystem (28, 38, 40), das einen Turboladerverdichter (30) umfasst, der mit Einlassventilen (18) aller Zylinder (1, 2, 3, 4, 5, 6) verbunden ist, um den Zylindern Ladeluft zuzuführen, und ein Auslasssystem, das eine Turbine (32) umfasst, die zum Antreiben des Verdichters (30) angeschlossen ist und erste und zweite Abgasströmungskanäle (44, 46, 48, 50) umfasst, die die Turbine (32) separat mit Auslassventilen (20) der ersten Gruppe (22) von Zylindern (1, 2, 3) und mit Auslassventilen (20) der zweiten Gruppe (26) von Zylindern (4, 5, 6) verbinden.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (32) ein Gehäuse umfasst, das Abschnitte der ersten und zweiten Kanäle (46, 50) aufweist, die separat mit der Turbine (32) verbunden sind.
Motor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Abgassammelrohr (42), das Abschnitte der ersten und zweiten Kanäle (46, 50) umfasst, die die erste und zweite Gruppe (22, 26) von Zylindern (1, 2, 3, 4, 5, 6) separat mit den Kanalabschnitten (46, 50) des Turbinengehäuses verbinden.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Zylindergruppen (22, 26) gleiche Anzahlen von Zylindern aufweisen.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile (20) der abgeschalteten Zylinder (1, 2, 3) geschlossen bleiben, wobei eine Abgasströmung zu der Turbine (32) von den abgeschalteten Zylindern (1, 2, 3) unterbrochen wird.
Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (18) von abgeschalteten Zylindern (1, 2, 3) ebenfalls geschlossen bleiben.
Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylindergruppen (22, 26) gleiche Anzahlen von Zylindern aufweisen, und Abgase von beiden Gruppen die Turbine (32) während des Betriebes aller Zylinder (1, 2, 3, 4, 5, 6) antreiben, zumindest bei höheren Lasten, und wobei bei Abschaltung der Zylinder (1, 2, 3) der ersten Gruppe (22) Abgase von der zweiten Zylindergruppe (26), die zu der Turbine (32) geleitet werden, alleine eine Drehung der Turbine (32) aufrecht erhalten, zumindest bei höheren Zylinderlasten, so dass die Turbine (32) für eine schnelle Lieferung einer maximalen Ladedruckverstärkung bei Rückkehr zu einem Betrieb mit allen Zylindern des Motors, der nach erhöhter Leistung verlangt, rotierend und warm bleibt.