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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und
Abgasrückführung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
103 57 925 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
und Abgasrückführung. Der
Abgasturbolader umfasst zwei separate, einem Turbinenrad einer Abgasturbine
vorgelagerte Strömungsfluten
mit unterschiedlichem Querschnitt. Die Strömungsfluten sind jeweils mit
einer Abgasleitung zur Versorgung mit Abgas verbunden, wobei den
Abgasleitungen jeweils über
eine Sammelleitung eine definierte Anzahl von Zylinderauslässen der
Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Von der Abgasleitung zur kleineren
Strömungsflut
führt eine
Abgasrückführleitung
zu einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Die beiden Abgasleitungen
sind stromauf der Strömungsfluten über eine Überbrückungsleitung
miteinander verbunden. Zur Anpassung an verschiedene Betriebszustande der
Brennkraftmaschine, insbesondere des Abgasrückführbetriebs und des Motorbremsbetriebs,
werden die Strömungsfluten
mit Hilfe eines ersten Steuerelements in der Überbrückungsleitung, eines zweiten
Steuerelements in der Abgasrückführleitung
und eines dritten Steuerelements in der Abgasleitung zur größeren Strömungsflut
mit Abgas entsprechend beaufschlagt. Dabei sind die Steuerelemente
als den Durchfluss steuernde Ventile oder einstellbare Drosselorgane
bzw. Klappen vorgesehen. Ferner können die Funktionen der Steuerelemente
in einem Ventil zusammengefasst werden. Die vorgesehenen Ausführungen
der Steuerelemente bzw. des Ventils sind aber aufwendig und benötigen zudem
Bauraum.
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Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit
Abgasturbolader und Abgasrückführung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass mit einem einfach aufgebauten Schieberventil eine
entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Strömungsfluten und/oder der Abgasrückführung mit
Abgas zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände, insbesondere im Abgasrückführbetrieb
und Motorbremsbetrieb, erfolgen kann, wobei das Schieberventil platzsparend
zwischen den Sammelleitungen der Brennkraftmaschine vorgesehen werden
kann.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
die Anordnung des Schieberventils zwischen den Sammelleitungen die
Gestaltung der Abgasleitungen und der Abgasrückführleitung konstruktiv zu verbessern
und optimal an den vorhandenen Bauraum anzupassen, wodurch der Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine im Motorbremsbetrieb und im Abgasrückführbetrieb
gesteigert werden kann.
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Durch
die in Unteransprüchen
aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung möglich.
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Zur
Verbesserung der konstruktiven Ausführung des Abgasstrangs bezüglich Bauraum
und Wirkungsgrad, ist das Schieberventil mit einem ersten plattenförmigen Schieberelement
in einem ersten Steuergehäuseteil
und einem zweiten plattenförmigen
Schieberelement in einem zweiten Steuergehäuseteil vorgesehen, bei dem
das erste plattenförmige Schieberelement
und das zweite plattenförmige Schieberelement
L-förmig
miteinander verbunden sind. In den Schieberelementen sind Steueröffnungen
vorgesehen, die entsprechende Übertritten
der Strömungsfluten
und/oder der Abgasrückführung öffnen und
schließen
können.
Vorteilhaft ist dabei, dass durch die besondere Ausformung des Schieberventils
es möglich
ist, eine vorteilhafte Anordnung der Sammelleitungen, der Abgasrückführleitung
und der Abgasleitungen zueinander, wobei die Sammelleitungen hintereinander
fluchtend angeordnet sind und die Abgasrückführleitung aus einer Sammelleitung abzweigt
und im Wesentlichen parallel zu den Sammelleitungen verläuft und
die Abgasleitungen senkrecht abgewinkelt aus den Sammelleitungen
parallel abzweigen, zu ermöglichen.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung
sowie den Zeichnungen. Das Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und
in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfacht dargestellte Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader
und Abgasrückführung,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Schieberventils,
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3a-c
Stellungen der Schieberelemente des Schieberventils im Abgasrückführbetrieb
und
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4a-c
Stellungen der Schieberelemente des Schieberventils im Motorbremsbetrieb.
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Die 1 zeigt
in schematisch vereinfachter Darstellungsweise eine Brennkraftmaschine 1,
bei der es sich um einen Dieselmotor mit Motorbremse, insbesondere
zum Einsatz für
Nutzfahrzeuge, handelt. Die Erfindung ist prinzipiell aber auch
auf Ottomotoren übertragbar.
Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgasturbolader 2 mit
einer Turbine 3 im Abgasstrang 4 auf. Die Turbine 3 besitzt
ein Turbinenrad 5, welches als Radialturbine ausgebildet
ist und die Bewegung des Turbinenrades 5 über eine Welle 6 auf
ein Verdichterrad 7 eines Verdichters 8 überträgt. Die
Turbine 3 weist ein Turbinengehäuse 9 auf, welches
zweiflutig mit zwei Strömungsfluten 10, 11 bzw.
Einströmkanälen 12, 13 ausgebildet
ist. Die beiden Strömungsfluten 10, 11 bzw.
Einströmkanäle 12, 13 sind
durch eine gehäusefeste
Trennwand 14 des Turbinengehäuses 9 voneinander
getrennt.
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Über jede
Strömungsflut 10, 11 bzw.
Einströmkanal 12, 13 ist
das Abgas separat zum Turbinenrad 5 zuführbar. Die Abgaszuführung erfolgt über den
Abgasstrang 4, der in zwei unabhängig voneinander ausgebildete
Abgasleitungen, eine erste Abgasleitung 15 und eine zweite
Abgasleitung 16, aufgeteilt ist. Die erste Abgasleitung 15 ist
der ersten Strömungsflut 10 und
die zweite Abgasleitung 16 ist der zweiten Strömungsflut 11 zugeordnet.
Jede Abgasleitung 15, 16 ist einer definierten
Anzahl von Zylinderauslässen
der Brennkraftmaschine zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 1 sechs
Zylinder auf, wobei eine erste Zylinderbank 17, drei Zylinder
und eine zweite Zylinderbank 18, ebenfalls drei Zylinder
aufweist. Denkbar ist neben der gleichförmigen Aufteilung der Zylinderbänke auch
eine ungleichförmige.
Die Zylinderauslässe
der ersten Zylinderbank 17 werden in einer ersten Sammelleitung 19 zusammengeführt und
die Zylinderauslässe
der zweiten Zylinderbank 18 werden in einer zweiten Sammelleitung 20 zusammengeführt. Die erste
Abgasleitung 15 führt
von der ihr zugeordneten ersten Sammelleitung 19 der Zylinderbank 17 zum ersten
Einströmkanal 12 der
ersten Strömungsflut 10.
Die zweite Abgasleitung 16 führt von der ihr zugeordneten
zweiten Sammelleitung 20 der Zylinderbank 18 zum
zweiten Einströmkanal 13 der
zweiten Strömungsflut 11.
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Zwischen
den beiden Sammelleitungen 19, 20 ist ein die
beiden Sammelleitungen 19, 20 verbindendes Steuerelement 21 vorgesehen.
Das Steuerelement 21 ist in Form eines mehrfachwirkenden
bzw. multifunktionalen Schieberventils ausgeführt und kann einen ersten Übertritt 22 zwischen
der ersten Sammelleitung 19 und der zweiten Sammelleitung 20 teilweise
oder vollständig öffnen. Im
geöffneten
ersten Übertritt 22 ist
ein Überströmen mit
Druckausgleich zwischen den Sammelleitungen 19, 20 möglich. Hingegen
erfolgt im geschlossenen ersten Übertritt 22 kein
Druckausgleich zwischen den Sammelleitungen 19, 20.
Weiterhin kann das Schieberventil 21 einen zweiten Übertritt 23 in
einer Abgasrückführleitung 25 einer
Abgasrückführung 26,
die von der ersten Sammelleitung 19 der kleineren ersten
Strömungsflut 10 abzweigt,
vollständig öffnen. Im
geöffneten
zweiten Übertritt 23 ist
ein Abgasstrom in der Abgasrückführung 26 möglich. Im
geschlossen zweiten Übertritt 23 ist
kein Abgasstrom in der Abgasrückführung 26 möglich. Schließlich kann
das Schieberventil 21 einen dritten Übertritt 24 in der
Abgasleitung 16 der größeren Strömungsflut 11 teilweise
oder vollständig öffnen. Im
geöffneten
dritten Übertritt 24 ist ein
Abgasstrom von der zweiten Zylinderbank 18 zur zweiten
Strömungsflut 11 möglich. Im
geschlossenen dritten Übertritt 24 erfolgt
keine Abgaszuführung
zur zweiten Strömungsflut 11.
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Die
Abgasrückführung 26 umfasst
die Abgasrückführleitung 25 und
gegebenenfalls einen Abgaskühler 27.
Die Abgasrückführleitung 25 mündet in einen
Ansaugtrakt 28 der Brennkraftmaschine 1 stromab
eines Ladeluftkühlers 29 für die Ansaugluft. Der
Ansaugtrakt 28 umfasst den Verdichter 8 mit dem Verdichterrad 7,
der Umgebungsluft mit dem Druck p1 ansaugt und auf einen erhöhten Druck
p2 verdichtet. Stromab des Verdichters 8 ist im Ansaugtrakt 28 der
Ladeluftkühler 29 angeordnet,
der von der verdichteten Luft durchströmt wird. Nach dem Verlassen des
Ladeluftkühlers 29 weist
die Luft den Ladedruck p2S auf, mit dem sie gegebenenfalls mit vermischtem Abgas
aus der Abgasrückführleitung 25 in
den Zylindereinlass der Brennkraftmaschine 1 eingeleitet
wird.
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Vom
Zylinderauslass herrscht in der ersten Abgasleitung 15,
die der ersten Zylinderbank 17 zugeordnet ist, der Abgasgegendruck
p31; in der zweiten Abgasleitung 16, die der zweiten Zylinderbank 18 zugeordnet
ist, liegt der Abgasgegendruck p32 an. In der Turbine 3 wird
das Abgas auf den niedrigen Druck p4 entspannt und im weiteren Verlauf
schließlich
in die Umgebung abgeblasen.
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Die
zweite, größere Strömungsflut 11 wird
so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass ein gewünschter Ladedruck im befeuerten
Betrieb erzielt werden kann. Die erste, kleinere Strömungsflut 10 wird
so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass eine geforderte Abgasrückführrate erzielt
werden kann, wobei eine bestimmte Motorbremsleistung im Motorbremsbetrieb gewährleistet
wird. Das Verhältnis
des Eintrittsquerschnittes bzw. Halsquerschnittes von erster Strömungsflut 11 pro
1 l Hubvolumen der Brennkraftmaschine 1 sollte dabei in
einem Bereich von 0.15 cm2/l bis 0.40 cm2/l liegen.
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In
der 2 ist der Aufbau des Schieberventils 21 in
einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Das Schieberventil 21 weist
ein erstes Steuergehäuseteil 30 und
ein zweites Steuergehäuseteil 31 auf, wobei
das erste Steuergehäuseteil 30 und
das zweite Steuergehäuseteil 31 L-förmig miteinander
verbunden sind. Vorzugsweise werden die Steuergehäuseteile 30, 31 in
einem 90°-Winkel
zueinander angeordnet. Im ersten Steuergehäuseteil 30 ist ein
erstes plattenförmiges
Schieberelement 32 längsverschiebbar
vorgesehen und im zweiten Steuergehäuseteil 31 ist ein
zweites plattenförmiges
Schieberelement 33 längsverschiebbar
vorgesehen. Die plattenförmigen Schieberelemente 32, 33 sind
entsprechend den Steuergehäuseteilen 30, 31 L-förmig, vorzugsweise in
einem 90°-Winkel,
miteinander verbunden. Die Schieberelemente 32, 33 sind
in den entsprechenden Steuergehäuseteilen 30, 31 aufgenommen
und über
eine dichtend durch das Steuergehäuseteil 30 oder das
Steuergehäuseteil 31 geführte Steuerstange 34 innerhalb
der Steuergehäuseteile 30, 31 in Längsrichtung
verschiebbar. Die Steuerstange 34 ist mit einer nicht dargestellten
Betätigungseinrichtung verbunden,
die elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch ausgeführt ist.
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Das
L-förmige
Schieberventil 21 ist zwischen den Sammelleitungen 19, 20 so
vorgesehen, dass das erste Steuergehäuseteil 30 zwischen
den hintereinander fluchtend angeordneten Sammelleitungen 19, 20 angeordnet
ist und zugleich die Abgasrückführleitung 25 unterbricht.
Das zweite Steuergehäuseteil 31 unterbricht
die Abgasleitung 16.
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Die
Sammelleitungen 19, 20 sind an das zwischen den
Sammelleitungen 19, 20 angeordnete erste Steuergehäuseteil 30 gegenüberliegend
angeschlossen und können über einen Übertritt 22 durch das
erste Steuergehäuseteil 30 miteinander kommunizieren.
Der erste Übertritt 22 kann
mittels einer ersten Steueröffnung 35 im
ersten plattenförmigen Schieberelement 32 gesteuert
werden, indem die erste Steueröffnung 35 teilweise
oder vollständig
in den ersten Übertritt 22 zwischen
den Sammelleitungen 19, 20 geschoben wird, wonach
entsprechend des teilweise oder vollständig geöffneten ersten Übertritts 22 ein Überströmen von
Abgas zwischen den Sammelleitungen 19, 20 erfolgt.
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Die
Abgasrückführleitung 25 wird
durch das erste Steuergehäuseteil 30 in
zwei Abgasrückführleitungen 25a und 25b unterteilt.
Die Abgasrückführleitungen 25a und 25b sind
an das erste Steuergehäuseteil 30 angeschlossen
und können über einen zweiten Übertritt 23 durch
das erste Steuergehäuseteil 30 miteinander
kommunizieren. Der zweite Übertritt 23 kann
mittels einer zweiten Steueröffnung 36 im
ersten plattenförmigen
Schieberelement 32 gesteuert werden, indem die zweite Steueröffnung 36 vollständig in
den zweiten Übertritt 23 zwischen
den Abgasrückführleitungen 25a, 25b geschoben
wird, wonach entsprechend des vollständig geöffneten zweiten Übertritts 23 ein Überströmen von
Abgas zwischen den Abgasrückführleitungen 25a, 25b erfolgt.
Die Abgasleitung 16 wird durch das zweite Steuergehäuseteil 31 in
zwei Abgasleitungen 16a und 16b unterteilt. Die
Abgasleitungen 16a und 16b sind an das zweite
Steuergehäuseteil 31 angeschlossen
und können über einen
dritten Übertritt 24 durch das
zweite Steuergehäuseteil 31 miteinander
kommunizieren. Der dritte Übertritt 24 kann
mittels einer dritten Steueröffnung 37 im
zweiten plattenförmigen Schieberelement 33 gesteuert
werden, indem die dritte Steueröffnung 37 teilweise
oder vollständig
in den dritten Übertritt 24 zwischen
den Abgasleitungen 16a, 16b geschoben wird, wonach
entsprechend des teilweise oder vollständig geöffneten dritten Übertritts 24 ein Überströmen von
Abgas zwischen den Abgasleitungen 16a, 16b erfolgt.
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Die
hintereinander fluchtend angeordneten Sammelleitungen 19, 20,
die senkrecht abgewinkelt aus den jeweiligen Sammelleitungen 19, 20 abzweigenden
und parallel nebeneinander liegenden Abgasleitungen 15, 16 und
die aus der Sammelleitung 19 der kleineren Strömungsflut 10 seitlich
abzweigende und parallel zu den Sammelleitungen 19, 20 verlaufenden
Abgasrückführleitungen 25a und 25b können vorteilhafterweise
in einem einzigen, gemeinsamen Bauteil, einem Abgaskrümmer mit
einem Anschluss zur Abgasrückführung, zusammengefasst werden.
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Von
Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Schieberventil 21 einfach
in derartige Abgaskrümmer adaptierbar
ist, wodurch eine bauraumsparende- und wirkungsgradoptimierte Auslegung
eines derartigen Abgaskrümmers
wenig Anpassung bedarf.
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Die
verschiedenen Stellungen der Schieberelemente 32, 33 des
Schieberventils 21 sind für den Abgasrückführbetrieb
der Brennkraftmaschine 1 in den 3a bis 3c und
für den
Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine 1 in den 4a bis 4c schematisch
vereinfacht dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber eine
ebene Darstellung der L-förmig
zueinander angeordneten und miteinander verbundenen plattenförmigen Schieberelemente 32, 33 entlang
des Schnittes A-A in 2 in Bezug zu den Übertritten 22, 23 und 24 ohne
Darstellung der Steuergehäuseteile 30, 31 gewählt wurde.
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Im
ersten plattenförmigen
Schieberelement 32 sind die erste Steueröffnung 35 und
die zweite Steueröffnung 36 voneinander
getrennt ausgenommen. Die dritte Steueröffnung 33 ist im zweiten
plattenförmigen
Schieberelement 33 ausgenommen. Durch Längsverschiebung der Schieberelemente 32, 33 in
den Steuergehäuseteilen 30, 31 können den Abgasrückführbetrieb
und den Motorbremsbetrieb durch die entsprechend freigegebenen Öffnungsquerschnitte
der Steueröffnungen 35, 36 und 37 bestimmte
Beaufschlagungen der Strömungsfluten 10, 11 und/oder
der Abgasrückführung 26 mit
Abgas erreicht werden.
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Im
Abgasrückführbetrieb
in der befeuerten Betriebsweise der Brennkraftmaschine 1 wird
der zweite Übertritt 23 zwischen
der Abgasrückführleitung 25a und
der Abgasrückführleitung 25b der
Abgasrückführung 26 in
eine Offenstellung versetzt, indem die zweite Steueröffnung 36 im
ersten Schieberelement 32 in dem zweiten Übertritt 23 geschoben wird,
damit Abgas vornehmlich aus der ersten Sammelleitung 19 über die
Abgasrückführleitung 25 in den
Ansaugtrakt 28 überströmen kann
(3a bis c). Um ein die Abgasrückführung ermöglichendes Druckgefälle mit
einem den Ladedruck p2S übersteigenden
Abgasgegendruck p31 in der ersten Sammelleitung 19 zu gewährleisten,
wird der dritte Übertritt 24 zwischen
der Abgasleitung 16a und der Abgasleitung 16b ebenfalls
in eine Offenstellung versetzt, indem die dritte Steueröffnung 37 im
zweiten Schieberelement 33 in den Übertritt 24 geschoben wird
(3a bis 3c). Der
Druck in der ersten Sammelleitung 19 p31 ist größer als
der Druck der zweiten Sammelleitung 20 p32. Der erste Übertritt 22 zwischen
den Sammelleitungen 19, 20 kann daher zur Variation
der Rückführrate für die Abgasrückführung eingesetzt
werden. So lässt
sich in Schließstellung
des ersten Übertritts 22 eine
maximale Abgasrückführrate erzielen
(3c), da p31 dann seinen maximalen Wert hat. Im
vollständig
geöffneten
ersten Übertritt 22 (3a)
ergibt sich hingegen eine minimale Abgasrückführrate aufgrund des stattfindenden Druckausgleichs
zur zweiten Sammelleitung 20. Durch entsprechende Variation
der Stellung der ersten Steueröffnung 35 im
ersten Schieberelement 32 im ersten Übertritt 22 zwischen
den Sammelleitungen 19, 20 kann eine entsprechende
Abgasrückführrate eingestellt
werden (3b).
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Die
Steueröffnungen 36 und 37 sind
in Form von Langlöchern
ausgeführt,
so dass bei einer Längsverschiebung
der Schieberelemente 32, 33 zur Einstellung des
Druckes p31 mittels der Steueröffnung 35 im Übertritt 22,
der Übertritt 23 und 24 geöffnet bleiben.
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Im
Motorbremsbetrieb hingegen wird der erste Übertritt 22 dauerhaft
in eine Offenstellung gebracht, so dass ein Durchfluss bzw. ein
Druckausgleich zwischen den Sammelleitungen 19, 20 erfolgen
kann. Dazu werden die Schieberelemente 32, 33 so
verschoben, dass die erste Steueröffnung 35 aus dem
ersten Übertritt 22 verschoben
wird, und die zweite Steueröffnung 36 in
den ersten Übertritt 22 gebracht
wird, wodurch der zweite Übertritt 23 vom
ersten Schieberelement 32 geschlossen wird. Somit wird
der zweite Übertritt 23 während des
Motorbremsbetriebs dauerhaft geschlossen, so dass keine Abgasrückführung erfolgt.
Der dritte Übertritt 24 in der
zweiten Abgasleitung 16 ist vorgesehen, um seine Öffnungsstellung
bzw. den Durchflussquerschnitt in der zweiten Abgasleitung 16 verändern zu
können.
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In
der Schließstellung
des dritten Übertritts 24 kann
kein Abgas durch die zweite Strömungsflut 11 auf
das Turbinenrad 5 gelangen (4c). Die
gesamte Abgasmenge muss daher durch die kleine Strömungsflut 10 zum
Turbinenrad 5 strömen,
wodurch sich durch den sich dann einstellenden maximalen Abgasdruck
p31 eine hohe Drehzahl des Turbinenrades 5 bzw. des verbundenen
Verdichterrades 7 ergibt, was zu einem maximalen Ladedruck
des Verdichters 8 und damit zur maximalen Bremsleistung
im Motorbremsbetrieb führt.
Im vollständig geöffneten
dritten Übertritt 24 wird
eine minimale Bremsleistung erreicht, wobei beide Strömungsfluten 10, 11 mit
Abgas beaufschlagt werden (4a). Durch
entsprechende Variation des Öffnungsquerschnitts
des dritten Übertritts 24 bzw.
der Durchflussmenge in der zweiten Abgasleitung 16 lässt sich
die Bremsleistung in einfacher Art und Weise entsprechend variieren
bzw. einstellen (4b). Im geschlossenen dritten Übertritt 24 ist
es somit möglich, sehr
hohe Motorbremsleistungen durch eine starke Anhebung des Abgasgegendrucks
p31 zu erzielen, ohne dabei die kritische Drehzahlgrenze des Abgasturboladers 2 zu überschreiten.
Vorteilhaft ist dabei, dass durch den ersten Übertritt 22 und den
dritten Übertritt 24 sich
sehr variabel eine Einstellung eines gewünschten Aufstaudrucks p31 an
der Förderturbine 3 erzielen
lässt,
wodurch sich die Motorbremsleistung gut einstellen lässt.
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Das
Schieberventil 21 kann mittels der nicht dargestellten
Betätigungseinrichtung über die
Steuerstange 34 betätigt
werden. Die Betätigungseinrichtung
kann über
Stellsignale, die in einer nicht näher dargestellten Regel- und
Steuereinrichtung, zum Beispiel einem elektronischen Motorsteuergerät, erzeugbar
sind, gesteuert werden.