DE102006022182A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Abgasrückführung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Abgasrückführung. Zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine (1) erfolgt mittels eines ersten Steuerelements (21) stromauf der Strömungsfluten und eines zweiten Steuerelements (25) in einer Abgasrückführleitung (23) eine entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Strömungsfluten (10, 11) und/oder der Abgasrückführung (22) mit Abgas, wobei das erste Steuerelement (21) in Form eines mehrfachwirkenden Schieberventils ausgebildet ist, wobei das Schieberventil (21) je nach seiner Steuerstellung den Durchfluss von der Abgasleitung (16) der größeren Strömungsflut (11) in die Abgasleitung (15) der kleineren Strömungsflut (10) steuert und zugleich den Durchfluss in der Abgasleitung (16) der größeren Strömungsflut (11) steuert und das zweite Steuerelement (25) als ein den Durchfluss steuerendes Ventil oder als einstellbares Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist für Nfz-Anwendungen vorgesehen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Abgasrückführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- 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 sind. 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 des ersten Steuerelements und des zweiten Steuerelements in einem Ventil zusammengefasst werden. Die vorgesehene Ausführung des mehrfachwirkenden Steuerelements bzw. Ventils sind aber aufwendig und benötigen zudem Bauraum. - Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass mit einem einfach aufgebauten, mehrfunktionalen 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 in den Abgasleitungen der Brennkraftmaschine vorgesehen werden kann.
- Vorteilhafterweise ermöglicht die Anordnung des Schieberventils in den Abgasleitungen 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.
- Durch die in Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung möglich.
- Zur Verbesserung der konstruktiven Ausführung des Abgasstrangs bezüglich Bauraum und Wirkungsgrad, ist das Schieberventil mit einem plattenförmigen Schieberelement und einem Verschlusselement in den Abgasleitungen vorgesehen, bei dem das plattenförmige Schieberelement und das Verschlusselement L-förmig miteinander verbunden sind. Im Schieberelement ist eine Steueröffnung vorgesehen, die den Durchfluss in der Abgasleitung zur größeren Strömungsflut steuert, zugleich steuert das Verschlusselement den Durchfluss durch eine Durchströmöffnung zwischen den Abgasleitungen. Vorteilhaft ist dabei, dass durch die Gestaltung des Schieberventils es möglich ist, das Schieberventil in die Abgasleitungen bzw. in einen Anschlussflansch der Abgasleitungen zu integrieren, wodurch auf ein separates Gehäuse für das Schieberventil verzichtet werden kann.
- 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.
- Dabei zeigen:
-
1 eine schematisch vereinfacht dargestellte Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Abgasrückführung, -
2 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung eines Schieberventils in seiner Abgasrückführstellung und -
3 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung des Schieberventils in seiner Motorbremsstellung. - Die
1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellungsweise eine Brennkraftmaschine1 , 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 Brennkraftmaschine1 weist einen Abgasturbolader2 mit einer Turbine3 im Abgasstrang4 auf. Die Turbine3 besitzt ein Turbinenrad5 , welches als Radialturbine ausgebildet ist und die Bewegung des Turbinenrades5 über eine Welle6 auf ein Verdichterrad7 eines Verdichters8 überträgt. Die Turbine3 weist ein Turbinengehäuse9 auf, welches zweiflutig mit zwei Strömungsfluten10 ,11 bzw. Einströmkanälen12 ,13 ausgebildet ist. Die beiden Strömungsfluten10 ,11 bzw. Einströmkanäle12 ,13 sind durch eine gehäusefeste Trennwand14 des Turbinengehäuses9 voneinander getrennt. - Über jede Strömungsflut
10 ,11 bzw. Einströmkanal12 ,13 ist das Abgas separat zum Turbinenrad5 zuführbar. Die Abgaszuführung erfolgt über den Abgasstrang4 , der in zwei unabhängig voneinander ausgebildete Abgasleitungen, eine erste Abgasleitung15 und eine zweite Abgasleitung16 , aufgeteilt ist. Die erste Abgasleitung15 ist der ersten Strömungsflut10 und die zweite Abgasleitung16 ist der zweiten Strömungsflut11 zugeordnet. Jede Abgasleitung15 ,16 ist einer definierten Anzahl von Zylinderauslässen der Brennkraftmaschine zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine1 sechs Zylinder auf, wobei eine erste Zylinderbank17 , drei Zylinder und eine zweite Zylinderbank18 , ebenfalls drei Zylinder aufweist. Denkbar ist neben der gleichförmigen Aufteilung der Zylinderbänke auch eine ungleichförmige. Die Zylinderauslässe der ersten Zylinderbank17 werden in einer ersten Sammelleitung19 zusammengeführt und die Zylinderauslässe der zweiten Zylinderbank18 werden in einer zweiten Sammelleitung20 zusammengeführt. Die erste Abgasleitung15 führt von der ihr zugeordneten ersten Sammelleitung19 der Zylinderbank17 zum ersten Einströmkanal12 der ersten Strömungsflut10 . Die zweite Abgasleitung16 führt von der ihr zugeordneten zweiten Sammelleitung20 der Zylinderbank18 zum zweiten Einströmkanal13 der zweiten Strömungsflut11 . - In den beiden Abgasleitungen
15 ,16 ist ein erstes Steuerelement21 vorgesehen. Das Steuerelement21 ist in Form eines mehrfachwirkenden bzw. multifunktionalen Schieberventils ausgeführt und kann den Durchfluss von der Abgasleitung16 der größeren Strömungsflut13 in die Abgasleitung15 der kleineren Strömungsflut12 steuern und zugleich den Durchfluss in der Abgasleitung16 der größeren Strömungsflut13 steuern. - Außerdem weist die Brennkraftmaschine
1 eine Abgasrückführung22 auf, die eine von der Sammelleitung19 abzweigende Abgasrückführleitung23 , gegebenenfalls einen Abgaskühler24 und ein zweites Steuerelement25 umfasst. Das zweite Steuerelement25 kann als ein den Durchfluss steuerndes Ventil oder als Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet sein und zum Beispiel stromab des Abgaskühlers24 in der Abgasrückführleitung23 angeordnet. Die Abgasrückführleitung23 mündet in einen Ansaugtrakt26 der Brennkraftmaschine1 stromab eines Ladeluftkühlers27 für die Ansaugluft. Der Ansaugtrakt26 umfasst den Verdichter8 mit dem Verdichterrad7 , der Umgebungsluft mit dem Druck p1 ansaugt und auf einen erhöhten Druck p2 verdichtet. Stromab des Verdichters8 ist im Ansaugtrakt26 der Ladeluftkühler27 angeordnet, der von der verdichteten Luft durchströmt wird. Nach dem Verlassen des Ladeluftkühlers27 weist die Luft den Ladedruck p2S auf, mit dem sie gegebenenfalls mit vermischtem Abgas aus der Abgasrückführung22 in den Zylindereinlass28 der Brennkraftmaschine1 eingeleitet wird. - Vom Zylinderauslass herrscht in der ersten Abgasleitung
15 , die der ersten Zylinderbank17 zugeordnet ist, der Abgasgegendruck p31; in der zweiten Abgasleitung16 , die der zweiten Zylinderbank18 zugeordnet ist, liegt der Abgasgegendruck p32 an. In der Turbine3 wird das Abgas auf den niedrigen Druck p4 entspannt und im weiteren Verlauf schließlich in die Umgebung abgeblasen. - Die zweite, größere Strömungsflut
11 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass ein gewünschter Ladedruck im befeuerten Betrieb erzielt werden kann. Die erste, kleinere Strömungsflut10 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass eine geforderte Abgasrückführrate erzielt werden kann, wobei eine bestimmte Motorbremsleistung im Motorbremsbetrieb gewährleistet wird. - In der
2 ist in einer schematisch vereinfachten Schnittdarstellung das Schieberventil21 in seiner Abgasrückführstellung gezeigt. In der3 ist in einer schematisch vereinfachten Schnittdarstellung das Schieberventil21 in seiner Motorbremsstellung gezeigt. Die Abgasleitungen15 ,16 zweigen jeweils aus den Sammelleitungen19 ,20 ab und sind nebeneinander liegend über ein gemeinsames Wandteil29 miteinander verbunden. An dem den Sammelleitungen19 ,20 gegenüber liegenden Ende der Abgasleitungen15 ,16 ist ein den Abgasleitungen15 ,16 gemeinsamer Anschlussflansch30 vorgesehen. Die Einströmkanäle12 ,13 der Turbine3 sind nebeneinander liegend über ein gemeinsames Wandteil31 verbunden und weisen einen gemeinsamen Anschlussflansch32 auf. Die Abgasleitungen15 ,16 und die Einströmkanäle12 ,13 werden über die Anschlussflansche30 ,32 miteinander verbunden, so dass Abgas aus der Abgasleitung15 in den Einströmkanal12 strömen kann und Abgas aus der Abgasleitung16 in den Einströmkanal13 strömen kann. Die Anschlussflansche30 ,32 werden vorzugsweise mittels Schraubverbindungen33 miteinander verbunden. - Das Schieberventil
21 weist ein plattenförmiges Schieberelement34 mit einer Steueröffnung35 auf, wobei an die Steueröffnung35 sich ein Verschlusselement36 anschließt. Das Schieberelement34 und das Verschlusselement36 sind L-förmig, vorzugsweise in einem 90°-Winkel, miteinander verbunden. - In den Anschlussflansch
30 der Abgasleitungen15 ,16 ist eine Schieberaufnahme37 eingebracht, in der das Schieberelement34 längsverschiebbar aufgenommen wird. Das Schieberelement34 liegt an dem Anschlussflansch32 der Einströmkanäle12 ,13 und wird vom Anschlussflansch32 in der Schieberaufnahme37 des Anschlussflansches30 der Abgasleitungen15 ,16 gehalten. Vorteilhafterweise wird kein separates Gehäuse für das Schieberventil21 benötigt. - Das Schieberelement
33 und das Verschlusselement35 können mittels einer am Schieberelement33 angebrachten Steuerstange38 in der Schieberaufnahme37 verschoben werden. Die Steuerstange38 ist in einer Führung39 längsverschiebbar gelagert. Die Führung39 kann mittels einer Dichtungsvorrichtung40 gegenüber der Umgebung abgedichtet werden. Die Steuerstange38 ist mit einer nicht dargestellten Betätigungseinrichtung verbunden, die elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch ausgeführt ist. - In der Abgasrückführstellung des Schieberventils
21 gemäß2 wird eine Durchströmöffnung41 in Form einer Ausnehmung in dem gemeinsamen Wandteil29 mittels des Verschlusselements36 verschlossen, wobei zugleich die Abgasleitung16 von der Steueröffnung35 geöffnet wird, so dass Abgas aus der Sammelleitung20 über die Abgasleitung16 und die Steueröffnung35 in den Einströmkanal13 der Turbine3 strömen kann und Abgas aus der Sammelleitung19 über die Abgasleitung15 in den Einströmkanal12 der Turbine3 strömen kann. In der Abgasrückführstellung des Schieberventils21 liegt das Verschlusselement36 an einem in der Durchströmöffnung41 umlaufenden Absatz42 an. - In die Motorbremsstellung des Schieberventils
21 gemäß3 wird das Verschlusselement36 in eine der Durchströmöffnung41 in der Abgasleitung15 gegenüber liegenden Aufnahme43 verschoben. Die Aufnahme43 ist in Form einer Ausnehmung in die Abgasleitung15 eingebracht. Zugleich wird mit dem Verschieben des Schieberelements34 die Steueröffnung35 aus der Abgasleitung16 in die Abgasleitung15 verschoben und die Abgasleitung16 durch das Schieberelement34 verschlossen. Das Abgas aus der Abgasleitung16 strömt nunmehr über die Durchströmöffnung41 in die Abgasleitung15 , wodurch das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine1 über den Einströmkanal12 in die Turbine3 zur kleineren Strömungsflut10 strömen kann. - Von Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Schieberventil
21 einfach in derartige Anschlussflansche adaptierbar ist, wodurch eine bauraumsparende- und wirkungsgradoptimierte Auslegung der Sammelleitungen19 ,20 und der aus den Sammelleitungen19 ,20 ab zweigenden Abgasleitungen15 ,16 eines Abgaskrümmers wenig Anpassung bedarf. - Durch Längsverschiebung des plattenförmigen Schieberelements
34 mit seiner Steueröffnung35 und dem L-förmig an dem Schieberelement34 angebrachten Verschlusselement36 in den Abgasleitungen15 ,16 bzw. im Anschlussflansch30 und Betätigung des zweiten Steuerelements25 können im Abgasrückführbetrieb und im Motorbremsbetrieb durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Abgasleitung16 und der Durchströmöffnung41 bestimmte Beaufschlagungen der Strömungsfluten10 ,11 und/oder der Abgasrückführung mit Abgas erreicht werden. - Im Abgasrückführbetrieb in der befeuerten Betriebsweise der Brennkraftmaschine
1 wird die die Durchströmöffnung41 geschlossen und zugleich die Abgasleitung16 geöffnet. Der Druck in der ersten Sammelleitung19 und Abgasleitung15 p31 ist größer als der Druck der zweiten Sammelleitung20 p32 und größer als der Druck im Ansaugtrakt26 p2s. Das zweite Steuerelement25 in der Abgasrückführleitung23 kann daher zur Variation der Rückführrate für die Abgasrückführung eingesetzt werden. So lässt sich in Offenstellung des Steuerelements25 eine maximale Abgasrückführrate erzielen. In Schließstellung des zweiten Steuerelements25 strömt kein Abgas über die Abgasrückführung22 in den Ansaugtrakt26 . Durch entsprechende Variation der Stellung des zweiten Steuerelements25 in der Abgasrückführleitung23 kann eine entsprechende Abgasrückführrate eingestellt werden. - Im Motorbremsbetrieb in der nicht befeuerten Betriebsweise der Brennkraftmaschine
1 hingegen wird die Durchströmöffnung41 zwischen den Abgasleitungen15 ,16 in eine Offenstellung gebracht und zugleich die Abgasleitung16 geschlossen, so dass ein Durchfluss bzw. ein Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen15 ,16 erfolgen kann. In Schließstellung der Abgasleitung16 kann kein Abgas durch die zweite Strömungsflut11 auf das Turbinenrad5 gelangen. Die gesamte Abgasmenge muss daher durch die kleine Strömungsflut10 zum Turbinenrad5 strömen, wodurch sich durch den sich dann einstellenden maximalen Abgasdruck p31 eine hohe Drehzahl des Turbinenrades5 bzw. des verbundenen Verdichterrades7 ergibt, was zu einem maximalen Ladedruck des Verdichters8 und damit zur maximalen Bremsleistung im Motorbremsbetrieb führt. In Offenstellung des zweiten Steuerelements25 wird eine minimale Bremsleistung erreicht, wobei je nach Druck p2s im Ansaugtrakt und Druck in der Sammelleitung19 p31 entweder ein Teil der Abgasmenge aus der Sammelleitung19 über die Abgasrückführung22 in den Ansaugtrakt26 strömt oder ein Teil der Ladeluft aus dem Ansaugtakt26 in die Sammelleitung19 strömt. Durch entsprechende Variation des Öffnungsquerschnitts des zweiten Steuerelements25 bzw. der Durchflussmenge in der Abgasrückführleitung23 lässt sich die Bremsleistung in einfacher Art und Weise entsprechend variieren bzw. einstellen. Mit einem geschlossenen zweiten Steuerelement25 ist es somit möglich, sehr hohe Motorbremsleistungen durch eine starke Anhebung des Abgasgegendrucks p31 zu erzielen, ohne dabei die kritische Drehzahlgrenze des Abgasturboladers2 zu überschreiten. - Das Schieberventil
21 kann mittels der nicht dargestellten Betätigungseinrichtung über die Steuerstange38 betätigt werden. Die Betätigungseinrichtung kann über Stellsignale gesteuert werden. Die Stellsignale werden in einer nicht näher dargestellten Regel- und Steuereinrichtung, zum Beispiel einem elektronischen Motorsteuergerät, erzeugt.
Claims (9)
- Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und Abgasrückführung, wobei der Abgasturbolader eine Abgasturbine umfasst, die zwei separate, einem Turbinenrad der Abgasturbine vorgelagerte Strömungsfluten mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist und jede Strömungsflut mit jeweils einer Abgasleitung zur Versorgung mit Abgas verbunden ist und zur Abgasrückführung eine Abgasrückführleitung von der der kleineren Strömungsflut zu einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine führt, wobei mittels eines ersten Steuerelements stromauf der Strömungsfluten und eines zweiten Steuerelements in der Abgasrückführleitung eine entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Strömungsfluten und/oder der Abgasrückführung mit Abgas zur Anpassung an verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerelement (
21 ) in Form eines mehrfachwirkenden Schieberventils in den Abgasleitungen (15 ,16 ) ausgebildet ist, wobei das Schieberventil (21 ) je nach seiner Stellung den Durchfluss von der Abgasleitung (16 ) der größeren Strömungsflut (11 ) in die Abgasleitung (15 ) der kleineren Strömungsflut (10 ) steuert und zugleich den Durchfluss in der Abgasleitung (16 ) der größeren Strömungsflut (11 ) steuert, und das zweite Steuerelement (25 ) als ein den Durchfluss steuerndes Ventil oder als einstellbares Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückführbetrieb der Brennkraftmaschine (
1 ) das Schieberventil (21 ) eine Durchströmöffnung (41 ) zwischen den Abgasleitungen (15 ,16 ) schließt und die Abgasleitung (16 ) der größeren Strömungsflut (11 ) öffnet, wobei das zweite Steuerelement (25 ) eine variable Stellung einnehmen kann. - Brennkraftmaschine nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (
1 ) das Schieberventil (21 ) eine Durchströmöffnung (41 ) zwischen den Abgasleitungen (15 ,16 ) öffnet und die Abgasleitung (16 ) der größeren Strömungsflut (11 ) schließt, wobei das zweite Steuerelement (25 ) eine variable Stellung einnehmen kann. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberventil (
21 ) ein plattenförmiges Schieberelement (34 ) aufweist, das in einem Anschlussflansch (30 ) der Abgasleitungen (15 ,16 ) längsverschiebbar gelagert ist und an einem Anschlussflansch (32 ) der Einströmkanäle (12 ,13 ) der Strömungsfluten (10 ,11 ) anliegt. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Schieberelement (
34 ) eine Steueröffnung (35 ) aufweist und an die Steueröffnung (35 ) sich ein plattenförmiges Verschlusselement (36 ) anschließt und das Schieberelement (34 ) und das Verschlusselement (36 ) L-förmig miteinander verbunden sind. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss durch die Durchströmöffnung (
41 ) zwischen den Abgasleitungen (15 ,16 ) mittels dem Verschlusselement (36 ) steuerbar ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss durch die Abgasleitung (
16 ) der größeren Strömungsflut (11 ) mittels der Steueröffnung (35 ) im plattenförmigen Schieberelement (34 ) steuerbar ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerstange (
38 ) im Anschlussflansch (30 ) der Abgasleitungen (15 ,16 ) geführt ist und mit dem Schieberelement (34 ) und einer Betätigungseinrichtung verbunden ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch ausgeführt ist.
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