DE202015101748U1 - Charged self-igniting internal combustion engine with double-flow turbine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinderkopf (10a) mit mindestens vier gemäß einer Zündfolge betriebenen Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1, 2, 3, 4) via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, – mindestens vier Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern (1, 2, 3, 4) bilden, – die Abgasleitungen der Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (11a, 11b) jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine (5), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (6) auf einer drehbaren Welle (8) gelagertes Laufrad (7) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten (5a, 5b) der Turbine (5) verbunden ist, wobei die zwei Fluten (5a, 5b) in Richtung des mindestens einen Laufrades (7) zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung (9) voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens zwei Zylinder (1, 2, 3, 4) jeder Gruppe räumlich benachbarte Zylinder (1, 2, 3, 4) sind.A supercharged auto-ignition internal combustion engine (10) having at least one cylinder head (10a) with at least four cylinders (1, 2, 3, 4) operated according to a firing order, wherein - each cylinder (1, 2, 3, 4) has at least one outlet port for discharging the exhaust gases from the cylinder (1, 2, 3, 4) via Abgasabführsystem has and adjoins each outlet opening an exhaust pipe, - at least four cylinders (1, 2, 3, 4) are configured in the way that they have two groups with each form at least two cylinders (1, 2, 3, 4), - merge the exhaust gas lines of the cylinders (1, 2, 3, 4) of each cylinder group to form an exhaust gas manifold (11a, 11b) to form an overall exhaust line, and - the two Total exhaust gas lines with a twin-bladed turbine (5), the at least one in a turbine housing (6) on a rotatable shaft (8) mounted impeller (7) are connected in such a way that in each case a total exhaust gas line with one of the two floods (5a, 5b) of the turbine (5) is connected, wherein the two floods (5a, 5b) in the direction of at least one impeller (7) at least in sections - in continuation of the total exhaust gas - by housing wall (9) are separated from each other and thus the Abgasabführsysteme the cylinder groups, characterized in that - the at least two cylinders (1, 2, 3, 4) of each group spatially adjacent cylinder (1, 2, 3, 4).
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier gemäß einer Zündfolge betriebenen Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.
- Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
- At least four cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders,
- - Combine the exhaust gas lines of the cylinder of each cylinder group to form an exhaust manifold to form an overall exhaust line, and
- The two entire exhaust gas ducts with a double-flow turbine, which comprises at least one impeller mounted on a rotatable shaft in a turbine housing, are connected in such a way that in each case an entire exhaust gas line is connected to one of the two floods of the turbine, the two floods in the direction of at least one impeller at least in sections - in continuation of the total exhaust gas lines - are separated from each other by means of housing wall and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Hybrid-Antriebe, die neben dem Dieselmotor eine mit dem Dieselmotor antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung vom Dieselmotor aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and hybrid drives which, in addition to the diesel engine, comprise an electric machine which can be connected to the diesel engine and which receives power from the diesel engine or additionally delivers power as a switchable auxiliary drive.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Ventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens vier Zylinder und das Füllen der Brennräume mit Ladeluft über die Einlassöffnungen.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected together to form the cylinder. The cylinder head is usually used to hold the valve train. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires controls - usually in the form of 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. As part of the change of charge, the combustion gases are pushed out via the outlet openings of the at least four cylinders and the combustion chambers are filled with charge air via the inlet openings.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.The exhaust pipes, which connect to the outlet openings, are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art and are combined into a common overall exhaust gas line or - as in the internal combustion engine according to the invention - in groups to two total exhaust gas lines. Merging exhaust pipes to an overall exhaust line is referred to generally and in the context of the present invention as an exhaust manifold.
Stromabwärts der beiden Abgaskrümmer ist erfindungsgemäß die zweiflutige Turbine eines Abgasturboladers im Abgasabführsystem vorgesehen.Downstream of the two exhaust manifold, the double-flow turbine of an exhaust gas turbocharger is provided in the Abgasabführsystem invention.
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. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.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. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with a suitable transmission design and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, 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 Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for the supercharging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. 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 a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a mechanical supercharger is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a mechanical Charger obtains the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine.
Nach dem Stand der Technik bereitet es Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.According to the prior art, it is difficult to increase the performance by means of turbocharging in all speed ranges. It is observed a greater torque drop 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. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio, which is why the boost pressure ratio also decreases towards lower rotational speeds. This is synonymous with a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a charged by turbocharging internal combustion engine is trying to improve the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. 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 via Abblaseleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. For this purpose, the turbine is equipped with a blow-off line which branches off from the exhaust-gas removal system upstream of the turbine and in which a shut-off element is arranged. 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 guided past the turbine via the blow-off line as part of the so-called exhaust gas blow-off, d. H. blown off. This approach has the disadvantage that the high-energy blown exhaust gas remains unused and the charging behavior is regularly insufficient at higher speeds.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann. Turbinen mit variabler Turbinengeometrie sind aber sehr kostenintensiv und daher häufig für den Serieneinsatz ungeeignet.A turbine with variable turbine geometry allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section, to some extent a speed-dependent or load-dependent control of the turbine geometry can be done. Turbines with variable turbine geometry are very expensive and therefore often unsuitable for mass production.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may also be represented by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas quantity; similar to a register charge.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Eine Abgasturboaufladung unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader ist kostenintensiv.An exhaust turbocharging using multiple exhaust gas turbochargers is costly.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der zumindest hilfsweise mittels Elektromaschine antreibbar ist.In addition to an exhaust gas turbocharger, a mechanical supercharger can in principle also be provided. The advantage of a mechanical supercharger over an exhaust-gas turbocharger is that the mechanical supercharger can generally generate and provide the required boost pressure independently of the current operating state of the internal combustion engine, in particular even at low rotational speeds of the internal combustion engine. This applies in particular to a mechanical loader which can be driven at least in the alternative by means of an electric machine.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Abgasturbolader, wobei die Abgasleitungen der Zylinder gruppenweise zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden und jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer Flut einer zweiflutigen Turbine verbunden ist.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least one exhaust gas turbocharger for charging purposes, wherein the exhaust gas lines of the cylinders are combined in groups into two total exhaust gas lines and one exhaust gas line in each case is connected to a trough of a twin-flow turbine.
Diese Art des Zusammenführens der Abgasleitungen unterstützt die Stoßaufladung, mit der im unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich, d. h. bei kleineren Abgasmengen, ein zufriedenstellendes Aufladeverhalten bzw. eine verbesserte Drehmomentcharakteristik angestrebt wird.This type of merging the exhaust pipes supports the bumping, with the lower speed or load range, d. H. with smaller amounts of exhaust gas, a satisfactory charging behavior or an improved torque characteristic is desired.
Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden.The purpose is to use the dynamic wave processes which take place in the exhaust gas removal system, in particular during the charge exchange, for the purpose of charging and for improving the operating behavior of the internal combustion engine.
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert.The evacuation of the combustion gases from a cylinder of the internal combustion engine in the context of the charge exchange is based essentially on two different mechanisms. When, at the beginning of the charge cycle, the exhaust valve opens near bottom dead center, the combustion gases flow at high speed through the exhaust port into the exhaust system due to the high pressure level prevailing in the cylinder at the end of the combustion and the associated high pressure difference between the combustion chamber and the exhaust pipe. This pressure-driven flow process is accompanied by a high pressure peak, which is also referred to as Vorlassstoß and along the exhaust pipe with Speed of sound propagates, whereby the pressure degrades more or less with increasing distance due to friction, ie reduced.
Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden.In the course of the charge cycle, the pressures in the cylinder and in the exhaust line are the same, so that the combustion gases are primarily not evacuated pressure driven, but are ejected as a result of the stroke of the piston.
Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere bei nur geringen Abgasmengen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden.At low speeds, the pre-discharge pulse can advantageously be used for boost charging, wherein short time, high pressure pulses are used as best as possible for energy use in the turbine. In this way, by means of turbocharging even at low speeds, especially with only small amounts of exhaust gas, high boost pressure conditions, d. H. high boost pressures are generated on the inlet side.
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringer Last spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks.The bumping proves to be particularly advantageous in the acceleration of the turbine wheel, d. H. when increasing the turbine speed, which can drop noticeably in idling mode of the engine or at low load and often with increased load request by means of exhaust gas flow should be raised as quickly as possible again. The inertia of the impeller and the friction in the shaft bearing delay usually an acceleration of the impeller to higher speeds and thus an immediate increase in boost pressure.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, sollten die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen verstärken, zumindest aber nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben.In order to use the running in the Abgasabführsystem dynamic wave processes, in particular the Vorlassstöße for the supercharging to improve the performance of the engine, the pressure peaks or Vorlassstöße should be obtained in Abgasabführsystem. It is particularly advantageous if the pressure pulses in the exhaust gas lines increase, but at least do not attenuate or cancel each other out.
Zielführend ist es daher, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem weitestgehend erhalten werden.It is therefore desirable to group the cylinders in such a way or to guide the exhaust lines in such a way that the high pressures, in particular the Vorlassstöße the individual cylinders are largely retained in the exhaust system.
Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen.An internal combustion engine in which the cylinders are grouped is also an object of the present invention. According to the invention, at least four cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders. The exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group lead together to form an exhaust gas manifold, forming an exhaust gas manifold.
Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen.According to the prior art, the cylinders are configured in such a way that the dynamic wave processes in the exhaust gas lines of the cylinders of a group influence as little as possible adversely.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen. Wird beispielsweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge
Der große thermodynamische Versatz der Zylinder innerhalb der Gruppe (360°KW) hat zudem Vorteile beim Ladungswechsel. Die Zylinder einer Gruppe können sich nämlich beim Ladungswechsel gegenseitig behindern, d. h. beeinträchtigen. Die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, laufen nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder dieser Gruppe und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Als nachteilig erweist es sich insbesondere, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht bzw. sich die Druckwelle eines anderen Zylinders die Abgasleitung entlang in Richtung Auslassöffnung ausbreitet, was der Evakuierung der Verbrennungsgase aus diesem Zylinder entgegenwirkt. Die Verbrennungsgase werden in dieser Phase des Ladungswechsels maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Im Einzelfall kann sogar Abgas, das aus einem Zylinder stammt, in einen anderen Zylinder gelangen, bevor dessen Auslass schließt. Der verschlechterte Ladungswechsel führt insbesondere bei steigender Last und zunehmender Drehzahl zu Nachteilen. Das im Zylinder befindliche Abgas, d. h. der im Zylinder verbleibende Restgasanteil, hat beim fremdgezündeten Ottomotor maßgeblich Einfluss auf das Klopfverhalten, wobei die Gefahr einer klopfenden Verbrennung mit zunehmendem Abgasanteil steigt.The large thermodynamic offset of the cylinders within the group (360 ° KW) also has advantages in the charge cycle. The cylinders of a group can namely hinder each other when changing the charge, d. H. affect. The pressure waves emanating from a cylinder, not only run through the at least one exhaust pipe of this cylinder, but also along the exhaust pipes of the other cylinders of this group and optionally up to the provided at the end of each pipe outlet. Exhaust gas that has already been ejected or discharged into an exhaust gas line during the charge exchange can therefore again enter the cylinder as a result of the pressure wave that emanates from another cylinder. It proves to be disadvantageous, in particular, if overpressure prevails at the outlet opening of one cylinder towards the end of the charge change or if the pressure wave of another cylinder propagates along the exhaust pipe in the direction of the outlet opening, which counteracts the evacuation of the combustion gases from this cylinder. The combustion gases are significantly pushed out in this phase of the charge change as a result of the stroke of the piston. In some cases, even exhaust gas that originates from one cylinder can get into another cylinder before its outlet closes. The deteriorated charge cycle leads to disadvantages especially with increasing load and increasing speed. The exhaust gas in the cylinder, d. H. the residual gas content remaining in the cylinder has a decisive influence on the knocking behavior in the spark ignited gasoline engine, with the risk of knocking combustion increasing with increasing proportion of exhaust gas.
Insofern wird es nach dem Stand der Technik nicht nur hinsichtlich der Stoßaufladung als sinnvoll, sondern vielmehr unter Berücksichtigung der Restgasproblematik als notwendig angesehen, bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen.In this respect, it is considered in the prior art not only in terms of the impact charge as meaningful, but rather taking into account the residual gas problem as necessary, at a Four-cylinder in-line engine to group the outboard cylinders into a first group and the inboard cylinders into a second group.
Diese Gruppierung der Zylinder führt aber zu einem komplexen voluminösen Abgasabführsystem, welches beispielsweise die europäische Patentanmeldung
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Drehmomentcharakteristik verbessert und die kostengünstiger ist.In view of the above, it is the object of the present invention to provide a supercharged auto-ignition internal combustion engine according to the preamble of
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene selbstzündende Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier gemäß einer Zündfolge betriebenen Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer zweiflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der beiden Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die zwei Fluten in Richtung des mindestens einen Laufrades zumindest abschnittsweise – in Fortsetzung der Gesamtabgasleitungen – mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen,
- – die mindestens zwei Zylinder jeder Gruppe räumlich benachbarte Zylinder sind.
- Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
- At least four cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders,
- - Combine the exhaust gas lines of the cylinder of each cylinder group to form an exhaust manifold to form an overall exhaust line, and
- The two entire exhaust gas ducts with a double-flow turbine, which comprises at least one impeller mounted on a rotatable shaft in a turbine housing, are connected in such a way that in each case an entire exhaust gas line is connected to one of the two floods of the turbine, the two floods in the direction of at least one impeller at least in sections - in continuation of the total exhaust gas lines - are separated from each other by means of housing wall and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups,
- - The at least two cylinders of each group are spatially adjacent cylinders.
Die erfindungsgemäße Gruppierung der Zylinder vereinfacht das Abgasabführsystem der Brennkraftmaschine erheblich. Im Gegensatz zu dem Konzept gemäß der
Die Zylinder einer Zylindergruppe können erfindungsgemäß einen Zündabstand von 180°KW oder weniger aufweisen, weshalb sich die Zylinder einer Gruppe beim Ladungswechsel mehr oder weniger stark beeinträchtigen. Dies ist aber für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, die ein Dieselmotor ist, unschädlich bzw. tolerierbar. Aus den gleichen Gründen kann die Restgasproblematik vernachlässigt werden.According to the invention, the cylinders of a cylinder group can have a firing interval of 180 ° CA or less, which is why the cylinders of a group have a greater or lesser effect on the change of charge. However, this is harmless or tolerable for the internal combustion engine according to the invention, which is a diesel engine. For the same reasons, the residual gas problem can be neglected.
Ein erfindungsgemäßer Vier-Zylinder-Reihenmotor kann gemäß der üblichen Zündfolge
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Drehmomentcharakteristik verbessert und die kostengünstiger ist.Thus, the object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen von mindestens vier Zylindern unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Insofern sind Ausführungsformen mit fünf oder mehr Zylindern, bei denen die Abgasleitungen von mehr als vier Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen.In the internal combustion engine according to the invention, the exhaust gas lines of at least four cylinders are brought together to form two exhaust gas manifolds to two total exhaust gas lines. In this respect, embodiments with five or more cylinders, in which the exhaust pipes of more than four cylinders are combined to form two total exhaust pipes, are also internal combustion engines according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen selbstzündenden Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the self-igniting internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Zylinder jeder Gruppe thermodynamisch benachbarte Zylinder sind, in der Art, dass die Zylinder einer Gruppe in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder sind.Embodiments of the supercharged autoignition internal combustion engine in which the at least two cylinders of each group are thermodynamically adjacent cylinders are advantageous in that the cylinders of a group in the ignition sequence are consecutive cylinders.
Ein Vier-Zylinder-Reihenmotor weist dann die Zündfolge
Ein Beibehalten der herkömmlichen Zündfolge hat Kostenvorteile, da bereits vorhandene Bauteile, insbesondere die Kurbelwelle und ein eventuell erforderlicher Massenausgleich, verwendet werden können.Maintaining the conventional firing order has cost advantages because of existing ones Components, in particular the crankshaft and any required mass balance, can be used.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, bei der die beiden Fluten übereinander angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.Embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine in which the twin-flow turbine is a double-flow turbine in which the two floods are arranged one above the other and which surround at least one impeller spirally at different radii along at least one arcuate section are advantageous.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten nebeneinander angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.But can also be advantageous embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine, in which the twin-flow turbine is a twin flow turbine, in which the two floods are arranged side by side and surround at least one impeller spirally at least along an arcuate portion to equal radii.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.Embodiments of the charged self-igniting internal combustion engine in which the housing wall is an immovable wall fixedly connected to the housing are advantageous. This embodiment of the housing wall ensures that the heat introduced by the hot exhaust gas into the housing wall is dissipated in an advantageous manner and to a sufficient extent into and via the housing.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und damit auch die Abgasabführsysteme der Zylindergruppen.Advantageous embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine, in which the two floods are separated from each other to the at least one impeller by means of housing wall and thus also the Abgasabführsysteme the cylinder groups.
Vorliegend sind die beiden Fluten der Turbine und damit die Abgasabführsysteme der dazugehörigen Zylindergruppen weitestgehend voneinander getrennt, so dass jede Flut nur mit den Abgasleitungen der Zylindergruppe kommuniziert, aus denen sie originär gespeist wird. Dies unterstützt die Stoßaufladung unter Ausnutzung der sich in den Abgaskrümmern ausbreitenden Druckspitzen.In the present case, the two floods of the turbine and thus the Abgasabführsysteme the associated cylinder groups are largely separated from each other, so that each flood communicates only with the exhaust pipes of the cylinder group, from which it is originally fed. This supports the bump charging by utilizing the pressure spikes propagating in the exhaust manifolds.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine sein, bei denen die die beiden Fluten voneinander trennende Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet.Embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine may also be advantageous in which the housing wall separating the two floods has a free tongue-like end on the impeller side and ends spaced apart from the at least one impeller while forming a tongue spacing.
Vorliegend sind die beiden Fluten an ihrem laufradseitigen Ende mittels Überströmkanal miteinander verbunden bzw. zeitweise verbindbar. Der Zungenabstand ist definiert bzw. ergibt sich dabei als der Abstand zwischen dem freien zungenartigen Ende der die benachbarten Fluten voneinander trennenden Gehäusewandung und dem mindestens einen Laufrad. Der Überströmkanal ermöglicht eine Interaktion zwischen den Fluten.In the present case, the two floods are connected to one another at their end on the impeller side by means of an overflow channel or can be temporarily connected. The tongue spacing is defined or results as the distance between the free tongue-like end of the housing walls separating the adjacent floods and the at least one running wheel. The overflow channel allows an interaction between the floods.
Lässt sich der Zungenabstand variieren, kann auf das Ausmaß der Interaktion zwischen den Fluten Einfluss genommen werden. In Abhängigkeit des Ausmaßes der Interaktion zwischen den Fluten lassen sich die Druckschwankungen in den Fluten der Turbine glätten bzw. die Drücke in den Fluten stromaufwärts des mindestens einen Laufrades angleichen. Auf diese Weise kann auch ein Übergang von der Stoßaufladung zu einer Stauaufladung bzw. umgekehrt erfolgen.If the tongue spacing can be varied, the extent of interaction between the floods can be influenced. Depending on the extent of the interaction between the floods, the pressure fluctuations in the floods of the turbine can be smoothed or the pressures in the floods upstream of the at least one impeller can be adjusted. In this way, a transition from the bump charging to a jam charging or vice versa can take place.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Zungenabstand variabel ist.For the reasons mentioned above, therefore, embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine are advantageous in which the tongue spacing is variable.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die beiden Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens einer Öffnung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades miteinander verbindbar sind.Advantageous embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine, in which the two floods of the turbine within the turbine housing by releasing at least one opening upstream of the at least one impeller are connected to one another.
Die Stoßaufladung hat nicht nur Vorteile. So verschlechtert sich in der Regel der Ladungswechsel infolge der Druckimpulse im Abgasabführsystem. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass eine Turbine ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden am effektivsten betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren.The bump charging not only has advantages. As a rule, the charge cycle deteriorates as a result of the pressure pulses in the exhaust gas removal system. Furthermore, it must be taken into account that a turbine is operated most effectively without intermittent and without alternating partial loading. In order to be able to optimally operate a turbine provided downstream of the cylinders in the exhaust-gas removal system at high engine speeds, the turbine should be subjected to an exhaust gas pressure that is as constant as possible in time, which is why a slightly changing pressure upstream of the turbine is preferred in order to realize a so-called congestion charging.
Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern erweist sich die Gruppierung der Zylinder, bei der die Abgasleitungen gruppenweise zusammengeführt werden, wodurch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv.By a correspondingly large volume of exhaust gas upstream of the turbine, the pressure pulsations in the exhaust pipes can be smoothed. In this respect, the grouping of the cylinders, in which the exhaust pipes are combined in groups, whereby the volume of Abgasabführsystems upstream of the turbine is divided into several sub-volumes proves to be counterproductive.
Vielmehr ist es hinsichtlich einer Stauaufladung vorteilhaft, das Abgasvolumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine zu vergrößern, um die Druckschwankungen zu minimieren.Rather, it is advantageous in terms of congestion charging to increase the exhaust gas volume of the Abgasabführsystems upstream of the turbine in order to minimize the pressure fluctuations.
Gegenüber dem Verbinden der beiden Abgaskrümmer hat das Verbinden der beiden Fluten der Turbine den Vorteil, dass die verbindende Öffnung der Abgassysteme der beiden Zylindergruppen weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet ist, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe vergrößert wird. Der Gefahr einer gegenseitigen, insbesondere nachteiligen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch entgegen gewirkt.Compared to connecting the two exhaust manifold has connecting the two floods the turbine has the advantage that the connecting opening of the exhaust systems of the two cylinder groups is arranged farther away from the outlet openings of the cylinder, whereby the exhaust line between a cylinder of the one group and a cylinder of the other group is increased. The risk of mutual, in particular adverse influence on the change of charge is counteracted.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe jeweils innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, da durch ein Verbinden der Krümmer eine Verbindung realisiert werden würde, die außergewöhnlich nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder platziert wäre.The embodiment described above is particularly advantageous in supercharged internal combustion engines in which the exhaust lines of the cylinders of each cylinder group merge within the cylinder head to form an exhaust manifold to form an exhaust manifold, as by connecting the manifold a connection would be realized which is exceptionally close to the exhaust ports the cylinder would be placed.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Abgaskrümmer der Zylindergruppen durch Freigeben mindestens einer Öffnung miteinander verbindbar sind.Nonetheless, embodiments of the supercharged auto-ignition internal combustion engine may also be advantageous in which the exhaust manifolds of the cylinder groups are connectable by releasing at least one orifice.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe jeweils innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the supercharged self-igniting internal combustion engine in which the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group merge within the at least one cylinder head to form an exhaust manifold to form the overall exhaust gas line are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group within the cylinder head, with the formation of two exhaust manifolds, in each case combine to form an overall exhaust gas line, are advantageous.
Die im Abgasabführsystem vorgesehene zweiflutige Turbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat gleich mehrere Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen.The dual-flow turbine provided in the exhaust-gas removal system can then be located very close to the outlet of the internal combustion engine, i. H. be arranged close to the outlet openings of the cylinder. This has several advantages, especially because shorten the exhaust pipes between the cylinders and the turbine.
Da sich der Weg zur Turbine für die heißen Abgase verkürzt, nimmt auch das Volumen der Abgaskrümmer bzw. des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab.As the path to the turbine for the hot exhaust gases is shortened, the volume of the exhaust manifold or Abgasabführsystems decreases upstream of the turbine. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases by reducing the mass and the length of the involved exhaust pipes.
Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden.In this way, the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally utilized and a rapid response of the turbine can be ensured.
Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.The proposed measure further leads to a compact design of the cylinder head and thus the internal combustion engine according to the invention and allows a dense packaging of the entire drive unit.
Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt zudem die Stoßaufladung im unteren Last- bzw. Drehzahlbereich.The shortening of the line lengths and the concomitant reduction of the exhaust gas volume upstream of the turbine also supports the bump charging in the lower load or speed range.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen jeweils ein außenliegender Zylinder und ein innenliegender Zylinder eine Gruppe bilden.In internal combustion engines with four cylinders arranged in series, embodiments are advantageous in which in each case an external cylinder and an internal cylinder form a group.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine einer ersten Flut zugeordnete Eintrittskante mindestens einer Laufschaufel des mindestens einen Laufrades und eine einer zweiten Flut zugeordnete Eintrittskante dieser mindestens einen Laufschaufel des mindestens einen Laufrades in einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind und auf die Weise eine gemeinsame zusammenhängende Kante ausbilden, wobei diese zusammenhängende Kante in der Verbindungsstelle einen Knick aufweist. Der Knick kann spitz oder abgerundet sein.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which an inlet edge of at least one blade of the at least one rotor assigned to a first tide and an inlet edge of this at least one rotor of the at least one rotor assigned to a second trough are connected to one another in a connection point and in this way form a joint coherent one Form edge, wherein this contiguous edge has a kink in the joint. The kink can be pointed or rounded.
Diese konstruktive Ausgestaltung der Laufschaufelkante ermöglicht es, die den beiden Fluten zugeordneten Eintrittskanten unabhängig voneinander, jeweils hinsichtlich der zugehörigen Flut zu optimieren und zwar vorzugsweise hinsichtlich der Stoßaufladung.This structural design of the blade edge makes it possible to optimize the two floods associated inlet edges independently of each other, each with respect to the associated flood, and preferably with respect to the shock charging.
Eine derartige Laufschaufelkante trägt dem Umstand Rechnung, dass die beiden Fluten in der Regel eine voneinander verschiedene geometrische Gestalt haben und daher auch eine unterschiedliche Gasdynamik aufweisen. Insofern benötigen die beiden Fluten unterschiedlich geformte Eintrittskanten.Such a blade edge takes into account the fact that the two floods usually have a mutually different geometric shape and therefore also have a different gas dynamics. In this respect, the two floods require differently shaped entry edges.
Die Laufschaufelkante weist in der Verbindungsstelle nahe bzw. gegenüber der Gehäusewandung vorzugsweise einen dachförmigen Knick auf, vorzugsweise einen dachförmigen spitzen Knick, wobei die Spitze nach außen zeigt, d. h. in Richtung der Fluten bzw. der Gehäusewandung gerichtet ist.The blade edge has in the connection point near or with respect to the housing preferably a roof-shaped kink, preferably a roof-shaped pointed kink, the tip pointing outwards, d. H. directed in the direction of the floods or the housing wall.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede Laufschaufel eine derartige Eintrittskante aufweist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which each blade has such an inlet edge are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen aufweist, vorzugsweise drei Auslassöffnungen.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which each cylinder has at least two outlet openings, preferably three outlet openings, are advantageous.
Zum Betreiben einer aufgeladenen selbstzündenden Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art wird die Zündfolge in der Art gewählt, dass die mindestens zwei Zylinder jeder Gruppe in der Zündfolge aufeinander folgende Zylinder sind und damit nacheinander selbstzünden.For operating a supercharged self-igniting internal combustion engine of the type described above, the firing sequence is selected in such a way that the at least two cylinders of each group in the firing sequence are consecutive cylinders and thus spontaneously ignite.
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es vorteilhaft, die Zylinder mit der Zündfolge
Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind auch Varianten vorteilhaft, bei denen die Zylinder mit der Zündfolge
Vorteilhaft ist es, die beiden Fluten der Turbine miteinander zu verbinden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln.It is advantageous to connect the two floods of the turbine with each other in order to switch from the supercharger to the accumulator charging.
Die im Rahmen einer Stauaufladung bei hohen Motordrehzahlen als nachteilig anzusehenden Druckschwankungen im Abgasabführsystem können durch Verbinden der beiden Fluten der Turbine geglättet, günstigstenfalls sogar eliminiert werden. Dabei werden die Volumina des Abgasabführsystems stromaufwärts des Laufrades zusammengelegt. Jede einzelne Flut kommuniziert dann nicht mehr nur mit dem Abgasvolumen der ihr zugeordneten Zylindergruppe, sondern ebenfalls mit dem Abgasvolumen der anderen Zylindergruppe. Es wird damit jeder Flut ein zusätzliches Volumen zur Verfügung gestellt, wodurch sich das Abgasvolumen stromaufwärts jeder Flut vergrößert bzw. stromaufwärts des Laufrades anstatt zwei kleinen Volumina ein großes Volumen bereitsteht. Diese Volumenvergrößerung gewährleistet einen sich wenig verändernden, im Wesentlichen konstanten Abgasdruck stromaufwärts des Laufrades und damit günstige Bedingungen für eine Stauaufladung bei größeren Abgasmengen.The pressure fluctuations in the exhaust gas removal system, which are to be regarded as detrimental in the context of congestion charging at high engine speeds, can be smoothed out, at best even eliminated, by connecting the two flows of the turbine. The volumes of Abgasabführsystems be merged upstream of the impeller. Each individual flood then no longer communicates only with the exhaust gas volume of the cylinder group assigned to it, but also with the exhaust gas volume of the other cylinder group. It is thus provided an additional volume each flood, which increases the exhaust gas volume upstream of each flood or upstream of the impeller instead of two small volumes, a large volume is available. This increase in volume ensures a little changing, substantially constant exhaust gas pressure upstream of the impeller and thus favorable conditions for a congestion charging with larger amounts of exhaust gas.
Vorteilhaft sind dabei Varianten, bei denen die beiden Fluten der Turbine miteinander verbunden werden, wenn die Drehzahl eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt.Variants in which the two floods of the turbine are connected to one another when the rotational speed exceeds a first predefinable rotational speed are advantageous.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der
Bei der in
Die vier Zylinder
Die Abgasleitungen der Zylinder
Die beiden Gesamtabgasleitungen sind mit der zweiflutigen Turbine
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erster Zylinder first cylinder
- 22
- zweiter Zylinder second cylinder
- 33
- dritter Zylinder third cylinder
- 44
- vierter Zylinder fourth cylinder
- 55
- zweiflutige Turbine twin-flow turbine
- 5a 5a
- erste Flut first tide
- 5b5b
- zweite Flut second tide
- 66
- Turbinengehäuse turbine housing
- 77
- Laufrad Wheel
- 7a7a
- Laufradkante, Eintrittskante Impeller edge, leading edge
- 88th
- Drehachse, Welle Rotation axis, shaft
- 99
- Gehäusewandung housing
- 1010
- Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor Internal combustion engine, four-cylinder in-line engine
- 10a10a
- Zylinderkopf cylinder head
- 1111
- Abgasabführsystem Abgasabführsystem
- 11a11a
- erster Abgaskrümmer first exhaust manifold
- 11b11b
- zweiter Abgaskrümmer second exhaust manifold
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2172635 [0032, 0035] EP 2172635 [0032, 0035]
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| DE202015101748.0U Expired - Lifetime DE202015101748U1 (en) | 2015-04-02 | 2015-04-10 | Charged self-igniting internal combustion engine with double-flow turbine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE202015101748U1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2172635A1 (en) | 2008-10-02 | 2010-04-07 | Ford Global Technologies, LLC | Cylinder head for an internal combustion engine with two integrated exhaust manifolds and method to operate an internal combustion engine with such a cylinder head |
-
2015
- 2015-04-10 DE DE202015101748.0U patent/DE202015101748U1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2172635A1 (en) | 2008-10-02 | 2010-04-07 | Ford Global Technologies, LLC | Cylinder head for an internal combustion engine with two integrated exhaust manifolds and method to operate an internal combustion engine with such a cylinder head |
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Effective date: 20150603 |
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