DaimlerChrysler AG
Aufgeladene Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mehreren, in zumindest einer Zylinderbank angeordneten Zylindern, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der gattungsgemäßen DE 102 17 225 Al ist eine aufgeladene mehrzylindrige Brennkraftmaschine in V-Bauweise bekannt, bei der jeweils sechs Zylinder in getrennten Zylinderbänken zusammengefasst sind, wobei für jede Zylinderbank ein separater Abgasturbolader vorgesehen ist.
Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum muss der Abgasturbolader aufgrund der großen Abgasmassenströme sehr groß dimensioniert werden. Solche Abgasturbolader mit großen Volumenströmen haben aber aufgrund des begrenzten Bauraumes und meist nicht vorhandener Größe der Turbine den Nachteil eines hohen Abgasgegendrucks welcher den Verbrauch und die Emissionen unter Volllast verschlechtert. Anderseits hat die Turbine eine große Masse die das Abgas nach dem Kaltstart deutlich abkühlt und dadurch zu einer verzögerten Erwärmung des Katalysators führt, was wiederum zu ungünstigen Abgasemissionen nach dem Kaltstart führt.
Außerdem ist aus der DE 38 24 346 Al eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken bekannt, bei der eine Zylinderbank
mit einem Abgasturbolader versehen ist, während die andere Zylinderbank als Saugmotor arbeitet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine aufgeladene Brenn¬ kraftmaschine mit reduziertem Abgasgegendruck und verbesser¬ ten Abgasemissionen zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Diese Aufgabe wird durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst die aufgeladene Brennkraftmaschine mehrere, in zumindest einer Zylinderbank angeordnete Zylinder, eine Ansaugleitung zur Zuführung von Verbrennungs¬ luft zur Brennkraftmaschine, eine Abgassammelleitung zum Abführen von Abgasen aus mehreren Zylindern einer Zylinder¬ bank, und einen Abgasturbolader, dessen Turbine in der Abgas¬ sammelleitung und dessen Verdichter in der Ansaugleitung angeordnet ist. Weiterhin weißt zumindest ein Zylinder der Zylinderbank eine separate Abgasleitung auf, die stromab der Turbine des Abgasturboladers mit der Abgassammelleitung zusammengeführt ist.
Da an der Turbine somit eine reduzierte Abgasmasse anfällt kann diese kleiner gebaut werden, so dass sich sowohl der benötige Bauraum als auch die Kosten reduzieren. Zwar führt dies beim Kaltstart auch zu einer geringeren Temperatur nach der Turbine. Stromab der Turbine wird aber zusätzliches heißes Abgas in die Abgassammelleitung geleitet, so dass es bereits in den ersten Sekunden nach dem Start der Brennkraft¬ maschine unmittelbar vor dem Katalysator zu einer Nachver-
brennung der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe kommt. Durch diesen zusätzlichen Wärmeeintrag vor dem Katalysator wird die reduzierte Abgastemperatur vor der Turbine mehr als kompensiert, so dass es insgesamt zu einer schnelleren Aufheizung des Katalysators und damit verbunden zu einer Reduzierung der Rohemissionen vor dem Katalysator sowie der Abgasemissionen nach dem Katalysator kommt.
Insbesondere bei V-förmigen Achtzylindermotoren kommt es aufgrund der speziellen Zündfolge 1-5-4-2-6-3-7-8 zu einer nachfolgenden Zündung mit 90° Versatz auf jeder Zylinderbank. Dadurch wird der Gaswechsel bei steigender Last und Drehzahl gestört. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher jeweils ein Zylinder aus dem 90° Versatz jeder Zylinderbank (4 und 8) im Bypass an der Turbine vorbeigeführt. Dadurch wird der mit dem Abgasturbolader nutzbare Motordrehzahl¬ bereich deutlich erweitert. Auch der Verbrauch und die Emissionen, insbesondere unter Volllast werden bedingt durch ein größeres Lambda (geringere Anfettung des Gemisches aller Zylinder besonders aber bei Zylinder 4 und 8) um über 10% verglichen mit herkömmlichen Anordnungen verringert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abgas¬ sammelleitung einen ersten, für alle in der Abgassammel¬ leitung zusammengeführten Zylinder gemeinsamen Abgaskrümmer, sowie ein in den Abgaskrümmer integriertes Gehäuse für die Turbine des Abgasturboladers. Weiterhin weist die separate Abgasleitung einen zweiten Krümmer für den zumindest einen Zylinder der Zylinderbank, sowie ein T-förmiges Anschluss¬ stück für die Abgassammelleitung auf. Diese Anordnung ist weniger anfällig für Spannungsrisse.
Zur vereinfachten Montage weisen die beiden Krümmer in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jeweils zumindest einen
Flansch zur Verbindung der Abgassammelleitung mit der separaten Abgasleitung auf.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer aufgeladenen Brenn¬ kraftmaschine in V-Anordnung mit acht Zylindern und jeweils einer Abgassammelleitung und einer separaten Abgasleitung pro Zylinderbank und
Fig. 2 eine räumliche Darstellung einer Abgassammelleitung und einer separaten Abgasleitung für eine Zylinder¬ bank mit vier Zylindern.
Die insgesamt mit 10 gekennzeichnete Brennkraftmaschine weist zwei gegenüberliegende Zylinderbänke 11, 12 mit jeweils 4 Zylindern 1 bis 8 auf. Für jede Zylinderbank 11, 12 ist jeweils eine Ansaugleitung 13, 14 zur Zuführung von Ver¬ brennungsluft in einen Verdichter 21, 22 vorgesehen. Stromab der Verdichter 21, 22 führen Druckleitungen 32, 33 über jeweils eine Drosselklappe 34, 35 die verdichtete Ver¬ brennungsluft getrennt zu den Zylindern 1 bis 4 der Zylinder¬ bank 11 sowie zu den Zylindern 5 bis 8 der Zylinderbank 12 der Brennkraftmaschine 10. Alternativ (nicht dargestellt) können die Druckleitungen 32, 33 jedoch die Verbrennungsluft auch gemeinsam durch eine einzige Drosselklappe in ein gemeinsames Saugrohr für die Zylinderbänke 11 und 12 führen. Weiterhin ist für jede Zylinderbank 11, 12 eine Abgassammei-
leitung 15, 16 zum Abführen von Abgasen aus den Zylindern 1-3 und 5-7 vorgesehen. Zusätzlich ist jeder Zylinderbank 11, 12 ein Abgasturbolader 17, 18 zugeordnet, wobei jeweils die Turbine 19, 20 in der Abgassammelleitung 15, 16 und der Verdichter 21, 22 in der Ansaugleitung 13, 14 oder einer gemeinsamen Ansaugleitung angeordnet ist.
Für die Zylinder 4 und 8 sind separate Abgasleitungen 23, 24 vorgesehen, die jeweils stromab der Turbine 19, 20 mit der Abgassammelleitung 15, 16 zusammengeführt sind.
Bei Turbo aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mehreren in einer Zylinderbank zusammengeführten Zylindern vor dem Turbolader kann es bei Zündfolgen, bei denen aufeinander folgende Zündungen jeweils nur um 90° versetzt sind, bei steigender Last und Drehzahl zu Störungen im Gaswechsel von je 2 Zylindern mit 90"Abstand pro Bank kommen. Dieses Problem tritt aufgrund der speziellen Zündreihenfolge 1-5-4-2-6-3-7-8 insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit acht Zylindern und einer V-Bauform auf, wobei hier der Gaswechsel der Zylinder 4 und 2 sowie der Zylinder 7 und 8 jeder Zylinderbank beeinträchtigt ist.
Um diese Beeinträchtigung zu beheben werden erfindungsgemäß nur drei der Zylinder 1-3, 5-7 in eine Abgassammelleitung 15, 16 zusammengefasst, während die Störung des Ladungswechsels durch die 90° Zündfolge mit Hilfe der separaten Abgasführung der Zylinder 4, 8 behoben wird. Das Abgas der Zylinder 4 und 8 wird dabei jeweils über eine separate Abgasleitung 23, 24 im Bypass zum Abgasturbolader 17, 18 geführt ist. Damit ist gewährleistet, dass sich die Abgasströme der Zylinder 4, 8 und die Abgasströme der jeweils anderen Zylinder 1-3, 5-7 nicht gegenseitig beeinflussen. Da der Abgasturbolader 17, 18 jeweils nur noch mit 75% der Abgasmenge - verglichen mit
herkömmlichen Anordnungen - beaufschlagt ist und die Ladungswechselarbeit über die Zylinder kleiner wird, kann gleichzeitig die Turbine 19, 20 kleiner dimensioniert werden.
Durch diese Maßnahmen kann der für die Aufladung nutzbare Motordrehzahlbereich deutlich erweitert werden. Außerdem verringert sich bei höheren Motorlasten der Kraftstoff¬ verbrauch sowie die Emissionen bei gleichzeitiger Leistungs¬ erhöhung. Weiterhin werden durch eine bessere Gleichver¬ teilung der 8 Zylinderdrücke der Spitzendruck über alle 8 Zylinder trotz höherer Leistungsausbeute kleiner und dadurch die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine insgesamt erhöht. Die verkleinerte Turbine des Abgasturboladers führt zu einem reduzierten Bauraumbedarf und zu einer Reduzierung der Kosten. Außerdem werden der Warmlauf und damit verbunden auch das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine im Kaltstart ebenfalls verbessert.
Zwar resultiert aus der reduzierten Abgasmenge, welche der Turbine 19, 20 zugeführt wird, beim Kaltstart eine geringere Temperatur nach der Turbine 19, 20. Stromab der Turbine 19, 20 wird aber zusätzliches heißes Abgas direkt in die Abgas¬ anlage geleitet, so dass es bereits in den ersten Sekunden nach dem Start der Brennkraftmaschine 10 unmittelbar vor einem nicht dargestellten Katalysator zu einer Nachver¬ brennung der im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe kommt. Durch diesen zusätzlichen Wärmeeintrag vor dem Katalysator wird die reduzierte Abgastemperatur vor der Turbine 19, 20 mehr als kompensiert, so dass es insgesamt zu einer schnelleren Aufheizung des Katalysators und damit verbunden zu einer Reduzierung der Rohemissionen vor Katalysator und insgesamt der Abgasemissionen nach Katalysator kommt. Bei Ottomotoren lässt sich so ein zweistufiger Thermoreaktor realisieren mit einer ersten Stufe in der Abgassammelleitung
15, 16 vor der Turbine 19, 20 und einer zweiten Stufe stromab der Zusammenführung von Abgassammelleitung 15, 16 und separater Abgasleitung 23, 24.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, dass der Abgasgegendruck reduziert wird und somit auch der notwendige Ladedruck geringer ausgelegt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine räumliche Darstellung der Abgasanlage einer Zylinderbank. Diese weist einen ersten, für alle in der Abgassammelleitung 15, 16 zusammengeführten Zylinder 1-3, 5-7 gemeinsamen Abgaskrümmer 25, sowie ein in den Abgaskrümmer 25 integriertes Gehäuse 26 für den Abgasturbolader 17, 18 auf. Weiterhin weist die Abgasanlage einen zweiten Abgaskrümmer 27 für einen einzelnen Zylinder 4, 8, sowie ein T-förmiges Anschlussstück 28 für den Anschluss an die Abgassammelleitung 15, 16 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Abgaskrümmer 27 und das T-förmige Anschlussstück 28 einstückig ausgeführt. Alternativ kann auch eine andere, lösbare oder feste Verbindung zwischen dem zweiten Krümmer 27 und dem Anschlussstück 28 vorgesehen sein.
Die Verbindung der beiden Krümmer 25, 27 miteinander, sowie mit der Brennkraftmaschine 10 und dem nicht dargestellten Katalysator erfolgt vorzugsweise ebenfalls über Flanschver¬ bindungen. Hierzu ist am ersten Krümmer 25 stromab des Gehäuses 26 ein erster Flansch 29 und am T-förmigen Anschlussstück 28 ein zweiter, korrespondierender Flansch 30 vorgesehen. Außerdem weist das T-förmige Anschlussstück 28 am stromabseitigen Ende einen weiteren Flansch 31 zum Anschluss an den nicht dargestellten Katalysator oder eine Abgasanlage auf. Schließlich kann auch der Anschluss des ersten und des zweiten Abgaskrümmers 25, 27 mit der Zylinderbank 11, 12 der Brennkraftmaschine 10 über Flanschverbindungen erfolgen.
Der Einsatz zweier separater Abgaskrümmer 25, 27 pro Zylinderbank 11, 12 hat den Vorteil, dass die Anordnung weniger anfällig für Spannungsrisse ist.
Die Erfindung ist im Ausführungsbeispiel anhand einer Brennkraftmaschine 10 in V-Bauform mit acht Zylindern 1-8 erläutert, kann aber auch für Brennkraftmaschinen 10 mit anderer Bauform und/oder anderer Zylinderzahl pro Zylinder¬ bank 11, 12 eingesetzt werden. Welcher der Zylinder 1-8 über eine separate Abgasleitung 23, 24 mit der Abgassammelleitung 13, 14 verbunden wird hängt insbesondere auch von der jeweiligen Zündfolge ab. Bei der dargestellten Ausführungs¬ form sind die beiden letzten Zylinder 4, 8 jeder Zylinderbank 11, 12 hinsichtlich des Gaswechsels kritisch und werden daher mit separaten Abgasleitungen 23, 24 versehen. In diesem Fall ergibt sich eine besonders einfache Anordnung. Bei Bedarf kann aber auch jeder andere Zylinder 1-8 mit einer separaten Abgasleitung 23, 24 versehen werden.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können auch zwei beziehungsweise mehrere kritische Zylinder 1-8 pro Zylinderbank 11, 12 im Bypass zum Abgasturbolader 17, 18 geführt werden, wobei hierzu jeweils eine separate Abgas¬ leitung 23, 24 pro kritischem Zylinder 1-8 vorgesehen werden kann oder auch eine separate Abgasleitung 23, 24 für alle kritischen Zylinder 1-8 gemeinsam.