DE10015291A1 - Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit v-förmig angeordneten Zylinderreihen und zwei Abgasturboladern, deren Abgasturbinen über Abgaskrümmer mit den Auslassseiten und deren Radialverdichter über Ladeluftverteilerleitungen mit den Einlassseiten der Zylinderreihen verbunden sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Abgaskrümmer auf den einander zugewandten Seiten der Zylinderreihen liegen, die Abgasturbolader eine unterschiedliche Größe aufweisen und im wesentlichen in dem von den Zylinderreihen gebildeten V-Raum untergebracht sind. Dadurch ergibt sich eine günstige Anordnung von zwei Abgasturboladern, die nach Bedarf in Reihe oder parallel betrieben werden können, um das Ansprechverhalten zu verbessern und eine große Leistung bei gutem Wirkungsgrad zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei der Auslegung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Abgasturboladern entsteht ein Ziel­ konflikt zwischen einer maximal erreichbaren Leistung mit einem guten Wirkungsgrad und einem schnellen Drehmomentaufbau im instationären Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschi­ ne, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Für die maximale Leistung sind große Abgasturbola­ der mit einer hohen Stopfgrenze erforderlich, die jedoch den Nachteil einer großen Massenträg­ heit aufweisen und somit nur verzögert ansprechen. Eine kleine Abgasturbine gewährleistet dagegen wegen der kleinen, trägheitsarmen Laufräder ein schnelles Ansprechen des Abgastur­ boladers, sie weist jedoch den Nachteil auf, dass die maximal mögliche Leistung nicht erreicht wird.

Aus der DE 195 47 994 A1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine der V-Bauart mit zwei parallel wirkenden Abgasturboladern bekannt. Jedem Abgasstrang, der auf der Außenseite der Zylinder­ reihen angeordnet ist, ist eine Abgasturbine zugeordnet, die gleich groß sind und jeweils einen Verdichter antreiben. Von diesen führt jeweils eine Zuströmleitung zu jeweils einem Ladeluftküh­ ler, von welchem aus jeweils eine Rückleitung zur Sauganlage der Hubkolbenbrennkraftmaschine führt. Um auf einfache Weise jeweils einen schaltbaren Bypass zu den Ladeluftkühlern zu schaf­ fen, ist jeweils die Zuströmleitung des einen Ladeluftkühlers mit der Rückleitung des anderen Ladeluftkühlers verbindbar. Dies erfolgt bevorzugt über einen so genannten Abzweig, in dem eine schaltbare Bypassklappe vorgesehen ist. Abgesehen davon, dass der oben genannte Ziel­ konflikt hierdurch nicht gelöst wird, erfordert die Anordnung der zwei parallel wirkenden Abgas­ turbolader einen erheblichen Bauraum.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschine be­ züglich des Ansprechverhaltens, des Wirkungsgrads und der Raumausnutzung zu verbessern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung sind die Abgaskrümmer der Hubkolbenbrennkraftmaschine auf den einan­ der zugewandten Seiten der Zylinderreihen angeordnet. Die Abgasturbolader, die eine unter­ schiedliche Größe aufweisen, sind im wesentlichen in dem von den Zylinderreihen gebildeten V-Raum untergebracht. Im Gegensatz zu der üblichen Anordnung der Abgaskrümmer auf den außen liegenden Seiten der Zylinderreihen erreicht man durch die erfindungsgemäße Anordnung den Vorteil, dass die Abgasturbolader den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal nutzen, und dass sich sehr kurze Verbindungsleitungen von den Abgaskrümmern zu den Abgasturbinen der Abgasturbolader ergeben. Das Ansprechverhalten der Abgasturbinen wird schon allein durch diese Maßnahme beschleunigt. Hinzu kommt, dass die Abgasturbinen eine unterschiedliche Größe aufweisen, wobei sie in Serie oder parallel geschaltet werden können. Bei einer Serien­ schaltung dient die größere Turbine mit dem größeren Radialverdichter als Niederdruckstufe, während die kleinere Abgasturbine mit dem kleineren Radialverdichter als Hochdruckstufe dient. Die Serienschaltung wird bei niedrigen Drehzahlen der Hubkolbenbrennkraftmaschine angewen­ det, bei der die Abgase zunächst die kleinere Abgasturbine passieren und dann in die größere Abgasturbine geleitet werden, wo die Restenergie der Abgase der größeren Abgasturbine eine Grunddrehzahl verleiht. Auf Grund der geringen Massenträgheit der kleineren Abgasturbine und des mit ihr verbundenen kleineren Radialverdichters spricht der kleinere Abgasturbolader sehr schnell an. Der kleinere Radialverdichter saugt dabei durch den größeren Radialverdichter Frischluft an, wobei auf Grund der Grunddrehzahl des großen Verdichters die ansaugseitigen Druckverluste gemindert werden, ohne dass jedoch eine nennenswerte Vorverdichtung stattfin­ det.

Bei hohen Drehzahlen der Hubkolbenbrennkraftmaschine und/oder Vollast werden die Abgas­ turbolader parallel geschaltet. Die Abgase werden auf Grund des zunehmenden Widerstands der kleineren Abgasturbine zum großen Teil der größeren Abgasturbine direkt über eine Bypasslei­ tung zugeführt, die somit den oberen Leistungsbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine ab­ deckt. Der größere Radialverdichter stellt jetzt weit gehend allein den Ladedruck zur Verfügung. Da für die hohen Durchsätze der kleinere Radialverdichter als Drossel wirken würde, wird der Großteil der Ladeluft durch einen Bypass am kleinen Verdichter vorbeigeleitet. Somit kann die Hubkolbenbrennkraftmaschine in allen Betriebsbereichen mit einem sehr guten Ansprechverhal­ ten und gutem Wirkungsgrad betrieben werden.

Zweckmäßigerweise besitzen die beiden Abgasturbinen ein gemeinsames Turbinengehäuse, in dem die Verbindungsleitung zu den Abgaskrümmern und/oder die Bypassleitungen als Kanäle integriert sind. Dadurch erreicht man neben einem sehr geringen Platzbedarf sehr kurze Strö­ mungswege, die das Ansprechverhalten weiter begünstigen, und den Wirkungsgrad verbessern.

Stromabwärts des kleineren Radialverdichters kann hinter der Einmündung der Bypassleitung eine Drosselklappe in der Ladeluft vorgesehen werden, um die Luftmenge bei quantitätsgeregel­ ten Hubkolbenbrennkraftmaschinen zu regeln. Weiter stromabwärts wird zweckmäßigerweise ein Ladeluftkühler angeordnet, an den sich für jede Zylinderreihe eine Ladeluftverteilerleitung anschließt. Der Ladeluftkühler, der zur Verbesserung der Füllung der Zylinder die Ladeluft kühlt, die sich bei der Verdichtung erwärmt hat, dient gleichzeitig als Verzweigung der Ladeluftführung auf die beiden Zylinderreihen. Er wird zweckmäßigerweise stirnseitig zu den Zylinderreihen angeordnet und überbrückt damit die Distanz zwischen den im V-Raum liegenden Radialver­ dichtern und den auf den Außenseiten der Zylinderreihen liegenden Ladeluftverteilerleitungen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Abgastur­ boladern unterschiedlicher Größe und

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Fig. 1.

Die dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 besitzt zwei in V-Form angeordnete Zylinder­ reihen 2 und 3, deren Zylinder mit 4 bezeichnet sind. An den Zylindern 4 ist an den einander zugewandten Seiten der Zylinderreihen 1, 2 über Abgaskrümmer 5 und 6 sowie einer Abgasleitung 9 eine kleinere Abgasturbine 20 angeschlossen, die einen kleineren Radialverdichter 13 antreibt. Von der Abgasleitung 9 zweigt eine Bypassleitung 22 ab, die von einer Abgasklappe 23 gesteuert wird, und in eine Verbindungsleitung 29 zwischen dem Auslass der kleineren Abga­ sturbine 20 und einem Einlass einer größeren Abgasturbine 21 mündet. Die größere Abgastur­ bine 21 treibt einen größeren Radialverdichter 14 an, so dass die kleinere Abgasturbine 20 mit dem kleineren Radialverdichter 13 einen kleineren Abgasturbolader und die größere Abgasturbi­ ne 21 mit dem größeren Radialverdichter 14 einen größeren Abgasturbolader bilden.

Vor dem größeren Abgasturbolader zweigt eine Bypassleitung 24 ab, in der ein Wastegate 25 angeordnet ist. Dadurch kann im Bedarfsfall die größere Abgasturbine 21 umgangen werden und das Abgas unmittelbar einem Katalysator 26 zugeführt werden.

Im niedrigen Drehzahlbereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 sind die Abgasklappe 23 und das Wastegate 25 geschlossen. Der gesamte Abgasstrom der Zylinderreihen 2 und 3 wird über die Abgasleitung 9 der kleineren Abgasturbine 20 zugeführt, die auf Grund ihrer kleinen Massen­ trägheit sehr schnell reagiert und den kleineren Radialverdichter 13 mit einer hohen Drehzahl antreibt. Dieser saugt über die Verbindungsleitung 17, den größeren Radialverdichter 14, An­ saugleitungen 27 und 28 sowie daran angeschlossene Luftfilter 18, 19 Luft an und fördert sie gegebenenfalls über eine Drosselklappe 12, eine Ladeluftleitung 10 und einen Ladeluftkühler 11 in Ladeluftverteilerleitungen 7, 8, die den jeweiligen Zylinderreihen 2 und 3 zugeordnet sind und auf der Außenseite der Zylinderreihen 2, 3 verlaufen. Die Luftfilter 18, 19 liegen zweckmäßiger­ weise oberhalb der Zylinderreihen 2, 3. Zur Regelung des kleineren Radialverdichters 13 ist eine Bypassleitung 15 mit einem Bypassventil 16 vorgesehen. Die Bypassleitung 15 verbindet den Einlass des kleineren Radialverdichters 13 mit der Ladeluftleitung 10 und mündet stromauf­ wärts der Drosselklappe 12 in die Ladeluftleitung 10.

Das Abgas, das die kleinere Abgasturbine 20 passiert hat, strömt über die Verbindungsleitung 29 in die größere Abgasturbine 21, wo die Restenergie des Abgases das Laufrad der größeren Abgasturbine 21 mit einer Grunddrehzahl antreibt. Die Grunddrehzahl der größeren Abgasturbi­ ne 21, die auf das Laufrad des größeren Radialverdichters 14 übertragen wird, bewirkt, dass die Strömungsverluste im Ansaugstrang der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 reduziert werden, ohne dass dabei der Ladeluftdruck nennenswert erhöht wird.

Mit zunehmender Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 wird die Abgasklappe 23 geöff­ net, so dass vermehrt die größere Abgasturbine 21 parallel zur kleineren Abgasturbine 20 be­ trieben wird, zumal der Widerstand der kleineren Abgasturbine 20 mit dem zunehmenden Abgasstrom größer wird. Entsprechend nimmt das Fördervolumen und der Förderdruck des größeren Radialverdichters 14 zu, so dass das Bypassventil 16 vermehrt geöffnet wird und Ladeluft über die Bypassleitung 15 in die Ladeluftleitung 10 gelangt. Somit ist gewährleistet, dass bei niedrigeren Drehzahlen und/oder geringerer Last ein sehr gutes Ansprechverhalten erzielt wird und trotzdem eine große maximale Leistung bei einem guten Wirkungsgrad erreicht wird.

Wie die Fig. 2 zeigt, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung ein sehr kompakter Aufbau, insbesondere da die Abgasturbinen 20 und 21 in einem gemeinsamen Turbinengehäu­ se zwischen den Radialverdichtern 13, 14 untergebracht sind. Das Turbinengehäuse enthält gleichzeitig eine Bypassleitung 22 und eine Verbindungsleitung 29 in Form von Kanälen. Eine Abgasleitung 9, die die Abgaskrümmer 5 und 6 miteinander verbindet verläuft unterhalb der Abgasturbinen 20 und 21. Stirnseitig zu den Zylinderreihen 2, 3 ist der Ladeluftkühler 11 ange­ ordnet. Er überbrückt zum großen Teil die Distanz zwischen den im V-Raum angeordneten Radialverdichtern 13, 14 und den Ladeluftverteilerleitungen 7, 8.

Claims (11)

1. Mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit v-förmig angeordneten Zylinderreihen und zwei Abgasturboladern, deren Abgasturbinen über Abgaskrümmer mit den Auslassseiten und deren Radialverdichter über Ladeluftverteilerleitungen mit den Einlassseiten der Zylinderreihen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskrümmer (5, 6) auf den einander zugewandten Seiten der Zylinderreihen (2, 3) liegen, die Abgasturbolader (13, 14, 20, 21) eine unterschiedliche Größe aufweisen und im wesentlichen in dem von den Zylinderreihen (2, 3) gebildeten V-Raum untergebracht sind.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Abgasturbinen (20, 21) in Längsrichtung der Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) gesehen zwi­ schen den Radialverdichtern (13, 14) angeordnet sind.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskrümmer (5, 6) durch ein gemeinsames Abgasrohr (9) verbunden sind, von dem aus die Abgasturbinen (20, 21) in Serie oder mittels einer Bypassleitung (22) mit einer Abgasklappe (23) parallel betrieben werden können.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der kleineren Abgasturbine (20) über eine Verbindungsleitung (29) mit dem Einlass der größeren Abgasturbine (21) verbunden ist und die Bypassleitung (22) in die Verbindungsleitung (29) mündet.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die größere Abgasturbine (21) über eine weitere Bypassleitung (24) mit einem Wastegate (25) überbrückbar ist.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Abgasturbinen (20, 21) ein gemeinsames Turbinengehäuse haben, in dem die Verbindungsleitung (9) und/oder die Bypassleitungen (22, 24) als Kanäle integriert sind.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich an die größere Abgasturbine (21) ein Katalysator (26) anschließt.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Auslass des größeren Radialverdichters (14) über eine Verbindungsleitung (17) mit dem Einlass des kleineren Radialverdichters (13) verbunden ist und von der Verbin­ dungsleitung (17) eine weitere Bypassleitung (15) abzweigt, die ein Bypassventil (16) aufweist und in eine Ladeluftleitung (10) mündet.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab­ wärts der Einmündung der Bypassleitung (15) eine Drosselklappe (12) in der Ladeluftleitung (10) vorgesehen ist.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromab­ wärts der Drosselklappe (12) ein Ladeluftkühler (11) angeordnet ist, an den sich für jede Zylin­ derreihe (2, 3) eine Ladeluftverteilerleitung (7, 8) anschließt.

11. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lade­ luftkühler (11) stirnseitig zu den Zylinderreihen (2, 3) angeordnet ist.