DE102018005460B3 - Internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle, method for operating such an internal combustion engine and motor vehicle with such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem Abgasturbolader (24, welcher eine erste Flut (38), in die ein erstes Abgasleitungselement (44) mündet, eine zweite Flut (40), in die ein zweites Abgasleitungselement (46) mündet, und eine dritte Flut (42) aufweist. Es ist eine Umgehungsleitung (60) vorgesehen, über welche ein Turbinenrad (50) des Abgasturboladers (24) von Abgas aus dem ersten und zweiten Abgasleitungselement (44, 46) zu umgehen ist. Es ist eine Ventileinrichtung (64) vorgesehen, welche ein Ventilgehäuse (66) und eine in dem Ventilgehäuse (66) angeordnete Überströmöffnung (84) aufweist, über welche die Abgasleitungselemente (44, 46) und die Fluten (38, 40, 42) innerhalb des Ventilgehäuses (66) fluidisch miteinander verbindbar sind und die Umgehungsleitung (60) mit Abgas aus den Abgasleitungselementen (44, 46) versorgbar ist. Es ist ein in dem Ventilgehäuse (66) aufgenommener Ventilkörper (86) vorgesehen, welcher zwischen wenigstens einer Schließstellung (S) und wenigstens einer Offenstellung (O) bewegbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine (10) ist in einem ersten Betriebszustand betreibbar, in welchem ein erster Brennraum (14) das erste Abgasleitungselement (44) und die erste Flut (38) mit Abgas aus dem ersten Brennraum (14) versorgt, während ein Versorgen des zweiten Abgasleitungselements (46) mit Abgas aus einem zweiten Brennraum (16) unterbleibt. In dem ersten Betriebszustand befindet sich der Ventilkörper (86) in der Offenstellung (O), sodass der erste Brennraum (14) das erste Abgasleitungselement (44), die erste Flut (38), die zweite Flut (40), die dritte Flut (42) und die Umgehungsleitung (60) mit Abgas aus dem ersten Brennraum (14) versorgt. The invention relates to an internal combustion engine (10) having an exhaust gas turbocharger (24), which opens a first flow (38) into which a first exhaust pipe element (44) opens, a second flow (40) into which a second exhaust pipe element (46) opens, A bypass line (60) is provided over which a turbine wheel (50) of the exhaust gas turbocharger (24) of exhaust gas from the first and second exhaust conduit members (44, 46) is to be bypassed Valve device (64) is provided, which has a valve housing (66) and an in the valve housing (66) arranged overflow opening (84) through which the exhaust pipe elements (44, 46) and the floods (38, 40, 42) within the valve housing ( 66) can be fluidically connected to one another and the bypass line (60) can be supplied with exhaust gas from the exhaust-gas line elements (44, 46) A valve body (86) accommodated in the valve housing (66) is provided, which between at least one S chließstellung (S) and at least one open position (O) is movable. The internal combustion engine (10) is operable in a first operating condition in which a first combustion chamber (14) supplies exhaust gas from the first combustion chamber (14) to the first exhaust conduit member (44) and the first flow (38) while supplying the second exhaust conduit member (46) with exhaust gas from a second combustion chamber (16) is omitted. In the first operating state, the valve body (86) is in the open position (O), so that the first combustion chamber (14), the first exhaust pipe element (44), the first flood (38), the second flood (40), the third flood ( 42) and the bypass line (60) supplied with exhaust gas from the first combustion chamber (14).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine and a motor vehicle with such an internal combustion engine.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Abgasturbolader, welcher eine Turbine mit einem Turbinengehäuse umfasst. Außerdem umfasst der Abgasturbolader ein Turbinenrad, welches drehbar in dem Turbinengehäuse aufgenommen und somit relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar ist. Das Turbinengehäuse weist eine erste Flut auf, in die das erste Abgasleitungselement mündet. Hierdurch kann Abgas, welches das erste Abgasleitungselement durchströmt, von dem ersten Abgasleitungselement in die erste Flut strömen. Außerdem weist das Turbinengehäuse eine zweite Flut auf, in die das zweite Abgasleitungselement mündet. Dadurch kann Abgas, das das zweite Abgasleitungselement durchströmt, von dem zweiten Abgasleitungselement in die zweite Flut strömen. Das Turbinengehäuse weist darüber hinaus wenigstens eine von Abgas aus den Brennräumen durchströmbare dritte Flut auf.Furthermore, the internal combustion engine comprises at least one exhaust gas turbocharger which comprises a turbine with a turbine housing. In addition, the exhaust gas turbocharger comprises a turbine wheel, which is rotatably received in the turbine housing and thus rotatable relative to the turbine housing. The turbine housing has a first flow, into which the first exhaust gas conduit member opens. As a result, exhaust gas flowing through the first exhaust gas conduit element can flow from the first exhaust gas conduit element into the first flow. In addition, the turbine housing has a second flood, into which opens the second exhaust pipe element. As a result, exhaust gas flowing through the second exhaust pipe element can flow from the second exhaust pipe element into the second water. The turbine housing moreover has at least one third flood through which exhaust gas can flow from the combustion chambers.
Außerdem umfasst die Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine von Abgas aus dem ersten Abgasleitungselement und von Abgas aus dem zweiten Abgasleitungselement durchströmbare Umgehungsleitung, über welche das Turbinenrad von zumindest einem Teil des Abgases aus dem ersten und zweiten Abgasleitungselement zu umgehen ist. Dies bedeutet, dass das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas das Turbinenrad umgeht und somit das Turbinenrad nicht antreibt.In addition, the internal combustion engine comprises at least one by-pass line of exhaust gas from the first exhaust pipe element and exhaust gas from the second exhaust pipe element through which the turbine wheel of at least a portion of the exhaust gas from the first and second exhaust pipe element to bypass. This means that the exhaust gas flowing through the bypass line bypasses the turbine wheel and thus does not drive the turbine wheel.
Des Weiteren offenbart die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine, ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb auf besonders kostengünstige Weise realisiert werden kann.Object of the present invention is to further develop an internal combustion engine, a method and a motor vehicle of the type mentioned in such a way that a particularly advantageous operation can be realized in a particularly cost-effective manner.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an internal combustion engine having the features of patent claim 1, by a method having the features of patent claim 6 and by a motor vehicle having the features of
Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auf kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verbrennungskraftmaschine eine Ventileinrichtung aufweist. Die Ventileinrichtung weist ein fluidisch mit den Abgasleitungselementen und fluidisch mit den Fluten verbundenes Ventilgehäuse auf. Hierzu bildet beziehungsweise begrenzt beispielsweise das Ventilgehäuse jeweilige, beispielsweise auch als Leitungsteile bezeichnete Kanalteile, welche fluidisch mit den Fluten und fluidisch mit den Abgasleitungselementen verbunden sein können.To further develop an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly advantageous operation of the internal combustion engine in cost, weight and space can be realized, it is inventively provided that the internal combustion engine has a valve device. The valve device has a fluidically connected to the exhaust pipe elements and fluidly connected to the floods valve housing. For this purpose, for example, the valve housing forms or delimits respective channel parts, for example also referred to as conduit parts, which can be fluidically connected to the flows and fluidically connected to the exhaust gas conduit elements.
Die Ventileinrichtung weist darüber hinaus wenigstens eine in dem Ventilgehäuse angeordnete und somit beispielsweise durch das Ventilgehäuse gebildete beziehungsweise begrenzte Überströmöffnung auf, über welche die Abgasleitungselemente und die Fluten innerhalb des Gehäuses fluidisch miteinander verbindbar sind. Außerdem ist die Umgehungsleitung über die Überströmöffnung mit Abgas aus den Abgasleitungselementen versorgbar. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass dann, wenn die Überströmöffnung zumindest teilweise freigegeben und somit von Abgas durchströmbar ist, Abgas, welches die Abgasleitungselemente durchströmt, die Überströmöffnung durchströmen und dadurch in die Umgehungsleitung einströmen und in der Folge die Umgehungsleitung durchströmen kann. Dabei ist es denkbar, dass das die Abgasleitungselemente durchströmende Abgas direkt aus den Abgasleitungselementen und somit unter Umgehung der Fluten die Durchströmöffnung durchströmt und somit in die Umgehungsleitung einströmt, oder das die Abgasleitungselemente durchströmende Abgas durchströmt zunächst beispielsweise jeweilige Teile der ersten und zweiten Flut, woraufhin das Abgas durch die Überströmöffnung strömt und dann beispielsweise in die Umgehungsleitung einströmt. Somit ist es denkbar, dass die Umgehungsleitung über die Überströmöffnung und über die erste und zweite Flut mit Abgas aus den Abgasleitungselementen versorgbar ist.The valve device furthermore has at least one overflow opening which is arranged in the valve housing and thus formed, for example, by the valve housing, via which the exhaust gas conduit elements and the flows can be fluidically connected to one another within the housing. In addition, the bypass line via the overflow opening with exhaust gas from the exhaust pipe elements can be supplied. This is to be understood in particular that when the overflow is at least partially released and thus can flow through exhaust gas, exhaust gas flowing through the exhaust pipe elements, flow through the overflow and thereby flow into the bypass line and can flow through the bypass line as a result. It is conceivable that the exhaust gas flowing through the exhaust pipe elements flows through the throughflow opening directly from the exhaust pipe elements and thus bypasses the flow, or flows through the exhaust gas flowing through the exhaust pipe elements first, for example, respective parts of the first and second flood, whereupon the Exhaust gas flows through the overflow and then flows, for example, in the bypass line. Thus, it is conceivable that the bypass line over the Overflow and over the first and second flood with exhaust gas from the exhaust pipe elements can be supplied.
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ventileinrichtung, insbesondere genau, einen in dem Ventilgehäuse aufgenommenen Ventilkörper aufweist, welcher relativ zu dem Ventilgehäuse zwischen wenigstens einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung bewegbar ist. In der Schließstellung ist die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers, insbesondere vollständig, verschlossen, das heißt fluidisch versperrt. Hierdurch ist die Umgehungsleitung mittels des Ventilkörpers von den Abgasleitungselementen und von den Fluten fluidisch getrennt, sodass kein Abgas aus den Fluten beziehungsweise aus der ersten und zweiten Flut über die Überströmöffnung in die Umgehungsleitung einströmen kann. Außerdem ist in der Schließstellung die dritte Flut mittels des Ventilkörpers von der ersten Flut und von der zweiten Flut und von den Abgasleitungselementen fluidisch getrennt, sodass kein Abgas aus der ersten und zweiten Flut und kein Abgas aus den Abgasleitungselementen über die Überströmöffnung in die dritte Flut strömen kann. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass in der Schließstellung ein Strömen von Abgas aus den Brennräumen durch die Umgehungsleitung und ein Strömen von Abgas durch die dritte Flut unterbleibt.Furthermore, it is provided according to the invention that the valve device, in particular precisely, has a valve body accommodated in the valve body, which is movable relative to the valve housing between at least one closed position and at least one open position. In the closed position, the overflow opening by means of the valve body, in particular completely, closed, that is fluidly blocked. As a result, the bypass line is fluidly separated by the valve body from the exhaust pipe elements and from the floods, so that no exhaust gas from the floods or from the first and second flood can flow via the overflow into the bypass line. In addition, in the closed position, the third flow is fluidly separated from the first scroll and the second scroll and the exhaust pipe members by means of the valve body so that no exhaust gas from the first and second scroll and no exhaust gas from the exhaust pipe members flow into the third scroll via the overflow port can. Preferably, it is provided that in the closed position, a flow of exhaust gas from the combustion chambers through the bypass line and a flow of exhaust gas through the third flood is omitted.
In der Offenstellung gibt der Ventilkörper die Überströmöffnung frei. Beispielsweise kann in der Schließstellung kein Abgas durch die Überströmöffnung strömen. In der Offenstellung jedoch kann Abgas durch die Überströmöffnung strömen. Dadurch ist in der Offenstellung die Umgehungsleitung innerhalb des Gehäuses mit den Abgasleitungselementen und zumindest mit der ersten und zweiten Flut sowie vorzugsweise auch mit der dritten Flut fluidisch verbunden, sodass Abgas, welches beispielsweise das jeweilige Abgasleitungselement durchströmt, über die Überströmöffnung zu der und insbesondere in die Umgehungsleitung strömen kann. Außerdem ist in der Offenstellung die erste Flut mit der zweiten Flut über die Überströmöffnung fluidisch verbunden, und die dritte Flut ist in der Offenstellung mit der ersten und zweiten Flut und mit den Abgasleitungselementen fluidisch verbunden, sodass beispielsweise Abgas, welches das jeweilige Abgasleitungselement durchströmt, zu der dritten Flut und insbesondere in die dritte Flut strömen und in der Folge die dritte Flut durchströmen kann.In the open position, the valve body releases the overflow opening. For example, no exhaust gas can flow through the overflow opening in the closed position. In the open position, however, exhaust gas can flow through the overflow opening. Thereby, in the open position, the bypass line within the housing with the exhaust pipe elements and at least with the first and second tide and preferably also with the third tide fluidly connected, so that exhaust gas, for example, the respective exhaust pipe member flows through the overflow to the and in particular in the Bypass line can flow. In addition, in the open position, the first flood is fluidly connected to the second flood via the overflow, and the third flood is fluidly connected in the open position with the first and second flood and with the exhaust pipe elements, so that, for example, exhaust gas flowing through the respective exhaust pipe element the third flood and in particular to flow into the third flood and can flow through the third flood in the sequence.
Da in der Schließstellung die Überströmöffnung mittels des Ventilkörpers fluidisch versperrt ist, sind in der Schließstellung die Fluten zumindest innerhalb des Ventilgehäuses fluidisch voneinander getrennt. Somit ist in der beziehungsweise durch die Schließstellung eine Flutentrennung eingestellt, wodurch beispielsweise eine Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine einstellbar beziehungsweise eingestellt ist. In der Offenstellung jedoch sind die erste Flut und die zweite Flut über die Überströmöffnung fluidisch miteinander verbunden, sodass in der beziehungsweise durch die Offenstellung eine Flutenverbindung der ersten und der zweiten Flut eingestellt ist. Hierdurch kann beispielsweise eine Stauaufladung der Verbrennungskraftmaschine eingestellt werden.Since in the closed position, the overflow is fluidly blocked by the valve body, the floods are fluidly separated from each other in the closed position at least within the valve housing. Thus, a flood separation is set in or through the closed position, whereby, for example, a supercharging of the internal combustion engine is adjustable or adjusted. In the open position, however, the first flood and the second flood are fluidically connected to one another via the overflow opening, so that a flood connection of the first and the second flood is set in or through the open position. As a result, for example, a charge accumulation of the internal combustion engine can be adjusted.
Da mittels des Ventilkörpers sowohl zwischen der Stauaufladung und der Stoßaufladung umgeschaltet als auch eine Versorgung der dritten Flut und der Umgehungsleitung mit Abgas aus den Brennräumen eingestellt werden kann, können die Teileanzahl und somit die Kosten, der Bauraumbedarf und das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.Since switched by means of the valve body both between the accumulation charge and the supercharger charging as well as a supply of the third flood and the bypass line can be adjusted with exhaust gas from the combustion chambers, the number of parts and thus the cost, space requirements and the weight of the internal combustion engine in a particularly low Be held in a frame.
Abgas, welches die Umgehungsleitung durchströmt, umgeht das Turbinenrad, sodass das Turbinenrad nicht von dem die Umgehungsleitung durchströmenden Abgas angetrieben wird. Dieses Umgehen des Turbinenrads wird auch als Bypassieren oder Bypassierung bezeichnet. Ferner wird dieses Umgehen auch als Abblasen oder Abblasung bezeichnet, wobei eine Menge des Abgases, welches über die Umgehungsleitung abgeblasen wird beziehungsweise die Umgehungsleitung durchströmt, mittels des Ventilkörpers beispielsweise bedarfsgerecht eingestellt werden kann.Exhaust gas flowing through the bypass line bypasses the turbine wheel, so that the turbine wheel is not driven by the exhaust gas flowing through the bypass line. This bypassing of the turbine wheel is also referred to as bypassing or bypassing. Further, this bypassing is also referred to as blow-off or blow-off, wherein an amount of the exhaust gas, which is blown off via the bypass line or flows through the bypass line, can be adjusted by means of the valve body, for example, as needed.
Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Verbrennungskraftmaschine in wenigstens einem ersten Betriebszustand zu betreiben, in welchem der erste Brennraum das erste Abgasleitungselement und die erste Flut mit Abgas aus dem ersten Brennraum versorgt. Somit laufen beispielsweise in dem ersten Betriebszustand Verbrennungsvorgänge in dem ersten Brennraum ab. Während der erste Brennraum die erste Flut und das erste Abgasleitungselement mit Abgas versorgt, unterbleibt ein Versorgen des zweiten Abgasleitungselements mit Abgas aus dem Brennraum. Somit finden beispielsweise in dem ersten Betriebszustand keine Verbrennungsvorgänge in dem zweiten Brennraum statt. Dies wird beispielsweise durch eine Zylinderabschaltung bewirkt.According to the invention, a control device is provided, which is designed to operate the internal combustion engine in at least a first operating state, in which the first combustion chamber supplies the first exhaust gas line element and the first flow with exhaust gas from the first combustion chamber. Thus, for example, combustion processes in the first combustion chamber run off in the first operating state. While the first combustion chamber supplies the first flow and the first exhaust gas flow element with exhaust gas, a supply of the second exhaust gas flow element with exhaust gas from the combustion chamber is omitted. Thus, for example, no combustion processes take place in the second combustion chamber in the first operating state. This is effected for example by a cylinder deactivation.
In dem ersten Betriebszustand befindet sich der Ventilkörper in der Offenstellung, sodass der erste Brennraum das erste Abgasleitungselement, die erste Flut, die zweite Flut, die dritte Flut und die Umgehungsleitung mit Abgas versorgt. Ein Versorgen des ersten Abgasleitungselements, der ersten Flut, der zweiten Flut, der dritten Flut und der Umgehungsleitung mit Abgas aus dem zweiten Brennraum unterbleibt.In the first operating condition, the valve body is in the open position such that the first combustion chamber provides exhaust gas to the first exhaust conduit member, the first flow, the second flow, the third flow, and the bypass. A supply of the first exhaust pipe element, the first flow, the second flow, the third flow and the bypass line with exhaust gas from the second combustion chamber is omitted.
Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Zum Stand der Technik gehören mittlerweile Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern, deren Turbinen mehrflutig beaufschlagt werden beziehungsweise mehrflutig ausgebildet sind. Ist eine solche Turbine beispielsweise zweiflutig ausgebildet, so weist diese beispielsweise wenigstens oder genau zwei von Abgas durchströmbare Fluten auf. Weist der jeweilige Verbrennungsmotor mehrere, insbesondere als Zylinder ausgebildete, Brennräume auf, so fördert beispielsweise ein erster Teil der Brennräume Abgas in eine der Fluten, wobei ein zweiter Teil der Brennräume Abgas in die jeweils andere Flut fördert. Mit anderen Worten wird beispielsweise die eine Flut mit Abgas aus dem ersten Teil beaufschlagt, wobei die andere Flut mit Abgas aus dem zweiten Teil beaufschlagt wird. Die Fluten sind dabei zumindest bereichsweise voneinander getrennt, wodurch eine Flutentrennung dargestellt ist. Durch diese Flutentrennung kann im Vergleich zu einer Verbindung der Fluten beziehungsweise im Vergleich zu einer Turbine, welche genau eine Flut aufweist, eine Verkleinerung von abgasführenden Volumina beziehungsweise Strömungsquerschnitten pro Flut realisiert werden, wodurch ein Stoßauflade-Betrieb der auch als Abgasturbine bezeichneten Turbine beziehungsweise des Abgasturboladers und somit die zuvor beschriebene Stoßaufladung der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des jeweiligen Verbrennungsmotors realisiert werden kann. Üblicherweise ist ein auch als Wastegate oder Wastegate-Ventil bezeichnetes Ventilelement vorgesehen, mittels welchem die Turbine und somit der Abgasturbolader betrieben, insbesondere geregelt, werden kann. Hierdurch ist es möglich, Abgas aus beiden Fluten gezielt am Turbinenrad vorbeizuleiten.The invention is based in particular on the following finding: In the meantime, technology includes internal combustion engines with turbochargers whose turbines are subjected to multiple-flow or multi-flow design. If, for example, such a turbine has a double-flow design, it has, for example, at least or exactly two floods through which exhaust gas can flow. If the respective internal combustion engine has a plurality of combustion chambers designed in particular as cylinders, for example, a first part of the combustion chambers conveys exhaust gas into one of the flows, with a second part of the combustion chambers conveying exhaust gas into the respective other. In other words, for example, the one flood is acted upon by exhaust gas from the first part, wherein the other flood is acted upon with exhaust gas from the second part. The floods are at least partially separated from each other, whereby a flood separation is shown. As a result of this flow separation, a reduction of exhaust-carrying volumes or flow cross sections per flood can be realized in comparison to a connection of the floods or, compared to a turbine which has exactly one tide, whereby a thrust-charging operation of the turbine or exhaust-gas turbocharger, also referred to as an exhaust-gas turbine and thus the previously described supercharging of the internal combustion engine or the respective internal combustion engine can be realized. Usually, a valve element, also referred to as a wastegate or wastegate valve, is provided, by means of which the turbine and thus the exhaust-gas turbocharger can be operated, in particular regulated. This makes it possible to pass exhaust gas from both floods targeted at the turbine wheel.
Neben Vorteilen im instationären Betrieb lässt sich durch den Einsatz einer mehrflutigen Turbine auch das Motormoment bei geringen Motordrehzahlen erhöhen. Derartig hohe, bereits bei geringen Drehzahlen realisierbare Drehmomente werden auch als Low-End-Torque (LET) bezeichnet. Diese Vorteile werden unter andere anderem durch die kleineren Volumina beziehungsweise Strömungsquerschnitte pro Flut erzielt. Wird die auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine bei hohen Motordrehzahlen betrieben, führen die kleinen Volumina beziehungsweise Strömungsquerschnitte jedoch zu dem Nachteil, dass ein vor dem Turbinenrad beziehungsweise vor der Turbine herrschender Druck stark ansteigt, insbesondere mit zunehmender Motordrehzahl. Dadurch verschlechtern sich der Ladungswechsel und folglich auch der Wirkungsgrad des Motors.In addition to advantages in transient operation, the use of a multi-flow turbine also increases the engine torque at low engine speeds. Such high torques, which can be realized even at low speeds, are also referred to as low-end torque (LET). These advantages are achieved, among other things, by the smaller volumes or flow cross sections per flood. If the internal combustion engine, which is also referred to as engine or internal combustion engine, is operated at high engine speeds, the small volumes or flow cross sections lead to the disadvantage that a pressure prevailing in front of the turbine wheel or in front of the turbine increases sharply, in particular with increasing engine speed. As a result, the charge change and consequently the efficiency of the engine deteriorate.
Um einerseits hinreichend kleine Volumina beziehungsweise die Stoßaufladung nutzen zu können, und andererseits eine übermäßige Verschlechterung des Ladungswechsels mit zunehmender Motordrehzahl verhindern zu können, kommt üblicherweise ein Stellorgan zum Einsatz. Dieses Stellorgan ist üblicherweise separat von dem zuvor genannten Wastegate ausgebildet und zusätzlich zu dem Wastegate vorgesehen. Mittels des zusätzlichen Stellorgans kann beispielsweise bei hohen Motordrehzahlen eine Verbindung zwischen den beiden Fluten hergestellt werden. Dem aus den Brennräumen strömenden Abgas steht somit ein größerer Strömungsquerschnitt zur Verfügung im Vergleich zu der Flutentrennung, da nun beide Fluten von dem Abgas durchströmt werden können. Dadurch kann ein übermäßiger Druckpfad im Turbinenrad vermieden werden.On the one hand to be able to use sufficiently small volumes or the thrust charging, and on the other hand to prevent excessive deterioration of the charge cycle with increasing engine speed, usually an actuator is used. This actuator is usually formed separately from the aforementioned wastegate and provided in addition to the wastegate. By means of the additional actuator, for example, at high engine speeds, a connection between the two floods can be made. The exhaust gas flowing out of the combustion chambers is thus provided with a larger flow cross-section in comparison to the separation of the flutes since the exhaust gas can now flow through both flows. As a result, an excessive pressure path in the turbine wheel can be avoided.
Um sowohl das Wastegate als auch das Stellorgan bedarfsgerecht verstellen zu können, kommen jeweilige und somit wenigstens zwei Aktoren zum Einsatz. Dies führt zu einer hohen Teileanzahl, zu einem hohen Gewicht, zu hohen Kosten und zu einem hohen Bauraumbedarf der Verbrennungskraftmaschine. Grundsätzlich ist es denkbar, das Wastegate und das Stellorgan zu koppeln und mittels eines dem Wastegate und dem Stellorgan gemeinsamen Aktors zu betätigen. Dies stellt eine Kombinationslösung dar, welche jedoch den Nachteil hat, dass es nur begrenzt möglich ist, die Abblasung von der Flutenverbindung beziehungsweise Flutentrennung funktionell trennen zu können.In order to be able to adjust both the wastegate and the actuator as needed, respective and therefore at least two actuators are used. This leads to a high number of parts, a high weight, high costs and a high space requirement of the internal combustion engine. In principle, it is conceivable to couple the wastegate and the actuator and to actuate them by means of an actuator common to the wastegate and the actuator. This represents a combination solution, which, however, has the disadvantage that it is only possible to functionally separate the blow-off from the flood connection or flooding separation.
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine vermieden werden, sodass sich auf bauraum-, gewichts- und kostengünstige Weise ein besonders vorteilhafter und insbesondere effizienter Betrieb realisieren lässt. Die erste Flut und die zweite Flut sind beispielsweise sogenannte Hauptfluten der Turbine, wobei die dritte Flut beispielsweise eine Nebenflut der Turbine ist. Der Einsatz der Hauptfluten sowie der zusätzlichen Nebenflut bietet die Möglichkeit, den Turbinendurchsatz vorteilhaft beeinflussen zu können. Insbesondere kann eine besonders große Durchsatzspreizung insbesondere zwischen der Schließstellung und der Offenstellung realisiert werden. Im Vergleich zu einer zweiflutigen Turbine ohne zusätzliche Nebenflut bietet dies einerseits die Möglichkeit, den minimalen Turbinendurchsatz zu reduzieren, insbesondere wenn sich der auch als Kombinationsventil bezeichnete Ventilkörper in der Schließstellung befindet, das heißt geschlossen ist. Dadurch ergeben sich Vorteile am Drehmoment-Eckpunkt, das heißt im Low-End-Torque-Bereich sowie im Instationärbetrieb der auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine. Bei geöffnetem Kombinationsventil kann durch die zusätzliche Nebenflut der maximale Turbinendurchsatz einer zweiflutigen Vergleichsturbine, welche die Nebenflut nicht aufweist, erreicht werden.The aforementioned problems and disadvantages can now be avoided in the internal combustion engine according to the invention, so that can be realized in space, weight and cost, a particularly advantageous and in particular efficient operation. The first flood and the second flood are for example so-called main floods of the turbine, the third flood being, for example, a tributary of the turbine. The use of the main floods as well as the additional tributary provides the opportunity to influence the turbine throughput advantageous. In particular, a particularly large throughput spread can be realized in particular between the closed position and the open position. Compared to a twin-flow turbine without additional secondary flow, on the one hand this offers the possibility of reducing the minimum turbine throughput, in particular if the valve body, also referred to as a combination valve, is in the closed position, ie closed. This results in advantages at the torque vertex, that is, in the low-end torque range as well as in the unsteady operation of the engine also referred to as an engine or internal combustion engine. When the combination valve is open, the additional secondary flow allows the maximum turbine throughput of a double-flow comparison turbine which does not have the secondary flow to be achieved.
Andererseits bietet die zusätzliche Nebenflut den Freiheitsgrad einer Erhöhung des maximalen Turbinendurchsatzes, wobei der minimale Turbinendurchsatz, welcher beispielsweise eingestellt wird beziehungsweise ist, wenn das Kombinationsventil geschlossen ist, im Vergleich zu einer zweiflutigen Turbine ohne zusätzliche Nebenflut gleich bleibt. Nachteile am Drehmomenteckpunkt, das heißt im Low-End-Torque-Bereich sowie im Instationärbetrieb des Motors, sind also nicht zu erwarten. Der erhöhte maximale Turbinendurchsatz führt zu Ladungswechsel- und somit Verbrauchsvorteilen bei höheren Motorleistungen und/oder höheren Motordrehzahlen. Zusätzlich kann der erhöhte maximale Turbinendurchsatz auch dazu beitragen, dass motorische Betriebsgrenzen insbesondere hinsichtlich des Drucks vor der Turbine, eine Temperatur vor der Turbine und/oder eines Anfettungsbedarfs nicht überschritten werden.On the other hand, the additional tributary provides the degree of freedom of an increase in the maximum turbine throughput, wherein the minimum turbine flow rate, which is set or is, for example, when the combination valve is closed, compared to a double-flow turbine without additional tributary remains the same. Disadvantages at the torque corner, that is in the low-end torque range as well as in the transient operation of the engine, are therefore not expected. The increased maximum turbine throughput leads to charge cycle and thus consumption advantages at higher engine outputs and / or higher engine speeds. In addition, the increased maximum turbine throughput may also help to ensure that engine operating limits are not exceeded, particularly with regard to turbine pressure, turbine temperature, and / or enrichment requirements.
Je nach Anforderung ist auch eine Kombination der oben genannten Auslegungsstrategien denkbar. Im Vergleich zu einer zweiflutigen Turbine könnten also durch den Einsatz der zusätzlichen Nebenflut sowohl Vorteile am Drehmomenteckpunkt beziehungsweise im Instationärbetrieb sowie Verbrauchsvorteile bei hoher Motorleistung erzielt werden. Die Verbrauchsvorteile können insbesondere dadurch erzielt werden, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen kein oder ein wesentlich geringerer Anfettungsbedarf besteht. Außerdem reicht ein einziger Aktor aus, um das Kombinationsventil (Ventilkörper) zu bewegen. Ein zusätzliches beziehungsweise zweites Stellorgan kann somit ebenso vermieden werden wie ein zusätzlicher, zweiter Aktor, wodurch die Teileanzahl, die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf besonders gering gehalten werden können.Depending on the requirement, a combination of the above-mentioned design strategies is also conceivable. In comparison to a twin-flow turbine, the use of the additional tributary could thus provide advantages at the torque corner point or in unsteady operation as well as fuel consumption advantages with high engine power. The fuel consumption advantages can be achieved in particular by the fact that compared to conventional internal combustion engines there is no or a much lower enrichment requirement. In addition, a single actuator is sufficient to move the combination valve (valve body). An additional or second actuator can thus be avoided as well as an additional, second actuator, whereby the number of parts, the cost, the weight and the space requirement can be kept very low.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörper zwischen der Offenstellung und der Schließstellung um eine Schwenkachse relativ zu dem Ventilgehäuse verschwenkbar und dadurch bewegbar. Hierdurch kann der Bauraumbedarf in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.In an advantageous embodiment of the invention, the valve body between the open position and the closed position about a pivot axis is pivotable relative to the valve housing and thereby movable. As a result, the space requirement can be kept in a very small frame.
Um die Teileanzahl und somit die Kosten besonders gering halten zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Ventilkörper einstückig ausgebildet ist.In order to keep the number of parts and thus the costs particularly low, it is provided in a further embodiment of the invention that the valve body is integrally formed.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Ventilgehäuse einstückig mit dem Turbinengehäuse angeordnet ist. Dadurch können die Teileanzahl und somit die Kosten, das Gewicht und der Bauraumbedarf in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.Another embodiment is characterized in that the valve housing is arranged integrally with the turbine housing. As a result, the number of parts and thus the cost, weight and space requirements can be kept in a very small frame.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen zweiten Betriebszustand auf. In dem zweiten Betriebszustand versorgt der zweite Brennraum das zweite Abgasleitungselement und die zweite Flut mit Abgas aus dem zweiten Brennraum, während ein Versorgen des ersten Abgasleitungselements mit Abgas aus dem ersten Brennraum unterbleibt. Somit finden beispielsweise in dem zweiten Betriebszustand Verbrennungsvorgänge in dem zweiten Brennraum statt, während beispielsweise Verbrennungsvorgänge in dem ersten Brennraum unterbleiben.In a further advantageous embodiment of the invention, the internal combustion engine has at least a second operating state. In the second operating state, the second combustion chamber supplies the second exhaust pipe element and the second flow with exhaust gas from the second combustion chamber, while supplying the first exhaust pipe element with exhaust gas from the first combustion chamber is omitted. Thus, for example, in the second operating state combustion processes take place in the second combustion chamber, while, for example, combustion processes in the first combustion chamber are omitted.
In dem zweiten Betriebszustand befindet sich der Ventilkörper in der Offenstellung, sodass der zweite Brennraum, das zweite Abgasleitungselement, die zweite Flut, die erste Flut, die dritte Flut und die Umgehungsleitung mit Abgas aus dem zweiten Brennraum versorgt werden. Ein Versorgen des zweiten Abgasleitungselements, der zweiten Flut, der ersten Flut, der dritten Flut und der Umgehungsleitung mit Abgas aus dem ersten Brennraum unterbleibt vorzugsweise.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.In the second operating state, the valve body is in the open position, so that the second combustion chamber, the second exhaust pipe element, the second flood, the first flood, the third flood and the bypass line are supplied with exhaust gas from the second combustion chamber. A supply of the second exhaust pipe element, the second flow, the first flow, the third flow and the bypass line with exhaust gas from the first combustion chamber is preferably omitted.
The invention also includes a method for operating an internal combustion engine according to the invention. Advantages and advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous embodiments of the method according to the invention and vice versa.
Bei dem Verfahren wird die Verbrennungskraftmaschine in wenigstens einem ersten Betriebszustand betrieben. In dem ersten Betriebszustand versorgt der erste Brennraum das erste Abgasleitungselement und die erste Flut mit Abgas aus dem ersten Brennraum, während ein Versorgen des zweiten Abgasleitungselements mit Abgas aus dem zweiten Brennraum unterbleibt. Außerdem befindet sich der Ventilkörper in dem ersten Betriebszustand in der offenen Stellung, sodass der erste Brennraum das erste Abgasleitungselement, die erste Flut, die zweite Flut, die dritte Flut und die Umgehungsleitung mit Abgas aus dem ersten Brennraum versorgt.In the method, the internal combustion engine is operated in at least a first operating state. In the first operating state, the first combustion chamber supplies the first exhaust-gas conduit element and the first flow with exhaust gas from the first combustion chamber, while the second exhaust-gas element is not supplied with exhaust gas from the second combustion chamber. In addition, in the first operating state, the valve body is in the open position, such that the first combustion chamber supplies exhaust gas from the first combustion chamber to the first exhaust pipe element, the first flow, the second flow, the third flow and the bypass line.
Schließlich gehört zur Erfindung auch ein vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug, welcher wenigstens eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfasst. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs anzusehen und umgekehrt.Finally, the invention also includes a preferably as a motor vehicle, especially as a passenger car, trained motor vehicle, which comprises at least one internal combustion engine according to the invention. Advantages and advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention and the method according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous embodiments of the motor vehicle according to the invention and vice versa.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as those mentioned below in the figure description and / or in the Figures alone features and feature combinations shown are not only in the particular combination specified, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug; -
2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine in einem ersten Betriebszustand; -
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine in einem zweiten Betriebszustand; und -
4 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine in einem dritten Betriebszustand.
-
1 a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention, in particular for a motor vehicle; -
2 a fragmentary sectional view of the internal combustion engine in a first operating condition; -
3 a fragmentary sectional view of the internal combustion engine in a second operating state; and -
4 a fragmentary sectional view of the internal combustion engine in a third operating state.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
Die Verbrennungskraftmaschine
Die Verbrennungskraftmaschine
Um dann besonders hohe Aufladegrade realisieren zu können, ist in dem Ansaugtrakt
In einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
Aus
Das Turbinengehäuse
Das Turbinenrad
Die Verbrennungskraftmaschine
In dem Abgastrakt
Um nun auf besonders kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
Das Leitungsteil
Wie in
Die Ventileinrichtung
Die Ventileinrichtung
In der Offenstellung
Insgesamt ist erkennbar, dass zum Betreiben, insbesondere zum Bewegen, der Turbine
In dem zweiten Betriebszustand ist das Kombinationsventil geöffnet, während die erste Hauptflut beaufschlagt wird. Zusätzlich zur Beaufschlagung der ersten Hauptflut ist es für einen Teil der Brennräume bei geöffnetem Kombinationsventil nun möglich, zusätzlich Abgas in die zweite Hauptflut zu fördern. Die beiden Hauptfluten sind also fluidisch miteinander verbunden, sodass die Flutenverbindung eingestellt ist. Weiterhin kann das Abgas aus einem Teil der Brennräume bei geöffnetem Kombinationsventil auch in die Nebenflut sowie in die Umgehungsleitung
In dem dritten Betriebszustand befindet sich das Kombinationsventil in seinem geöffneten Zustand, während die zweite Hauptflut beaufschlagt wird. Dem anderen Teil der Zylinder ist es bei geöffnetem Kombinationsventil möglich, auch Abgas in die erste Hauptflut zu fördern, da die Flutenverbindung eingestellt ist. Zusätzlich kann Abgas bei geöffnetem Kombinationsventil auch in die Nebenflut sowie in die Umgehungsleitung
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DE102020107766A1 (en) | 2020-03-20 | 2021-09-23 | Ihi Charging Systems International Gmbh | Control device for an exhaust gas routing section of an exhaust gas turbocharger and an exhaust gas routing section for an exhaust gas turbocharger |
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