DE102008020049B4

DE102008020049B4 - Brennkraftmaschine mit mehrstufiger Aufladung

Info

Publication number: DE102008020049B4
Application number: DE102008020049.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Holthoff
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: DE102008020049A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit einem Frischlufttrakt (12) zum Zuführen von Verbrennungsluft (40) an Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine und einem Abgastrakt (14) zum Abführen von Abgas (42) von den Arbeitszylindern, sowie mit einer zweistufigen Aufladung mit wenigstens zwei Abgasturboladern (16, 18), wobei wenigstens ein Niederdruckabgasturbolader (16) mit einer Niederdruckturbine (22) im Abgastrakt (14) sowie einem Niederdruckverdichter (20) im Frischlufttrakt (12) und wenigstens ein Hockdruckabgasturbolader (18) mit einer Hochdruckturbine (26) im Abgastrakt (14) und einem Hochdruckverdichter (24) im Frischlufttrakt (12) derart angeordnet sind, dass in dem Abgastrakt (14) die Hockdruckturbine (26) stromauf der Niederdruckturbine (22) und im Frischlufttrakt (12) der Niederdruckverdichter (20) stromauf des Hockdruckverdichters (24) angeordnet ist, wobei im Abgastrakt (14) ein Hockdruckbypasskanal (28) mit Hochdruckbypassventil (30) zum Überbrücken der Hochdruckturbine (26) sowie ein Niederdruckbypasskanal (32) mit Niederdruckbypassventil (34) zum Überbrücken der Niederdruckturbine (22) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges, gemeinsames Stellorgan (36) zum Betätigen sowohl des Hochdruckbypassventils (30) als auch des Niederdruckbypassventils (34) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Frischlufttrakt zum Zuführen von Verbrennungsluft an Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine und einem Abgastrakt zum Abführen von Abgas von den Arbeitszylindern, sowie mit einer zweistufigen Aufladung mit wenigstens zwei Abgasturboladern, wobei wenigstens ein Niederdruckturbolader mit einer Niederdruckturbine im Abgastrakt sowie einem Niederdruckverdichter im Frischlufttrakt und wenigstens ein Hockdruckturbolader mit einer Hochdruckturbine im Abgastrakt und einem Hochdruckverdichter im Frischlufttrakt derart angeordnet sind, dass in dem Abgastrakt die Hockdruckturbine stromauf der Niederdruckturbine und im Frischlufttrakt der Niederdruckverdichter stromauf dem Hockdruckverdichter angeordnet ist, wobei im Abgastrakt ein Hockdruckbypasskanal mit Hochdruckbypassventil zum Überbrücken der Hochdruckturbine sowie ein Niederdruckbypasskanal mit Niederdruckbypassventil zum Überbrücken der Niederdruckturbine vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer mehrstufigen Aufladung für eine Brennkraftmaschine wird in dem Frischlufttrakt die Frischluft bzw. Verbrennungsluft durch zwei oder mehr nacheinander angeordnete Verdichter komprimiert. Eine derartige Aufladevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit Stufenaufladung ist aus der DE 10 2005 025 885 A1 bekannt und weist eine Hochdruckstufe sowie eine Niederdruckstufe auf. Jeder Stufe ist in dem Abgastrakt jeweils ein Bypasskanal mit Schaltventil zugeordnet, um den Abgasstrom im Abgastrakt wahlweise an der Turbine der Hochdruckstufe bzw. der Niederdruckstufe vorbei zu leiten. Bei derartigen Systemen werden für die Schaltventile zwei Steller und dementsprechend zwei Steuergerätehardwareschnittstellen benötigt. Dies führt zu hohen Kosten und großem Bauraumbedarf im Vergleich zu einem einstufigen System.
Die DE 32 37 337 A1 offenbart eine Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, bei welcher ein Steuerventil in der Abgasrückführungsstrecke und ein stromab des Turboladers in der Abgasleitung und/oder Frischluftzuführung angeordnetes Drosselventil auf einer gemeinsamen Welle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und von einem für beide Ventile gemeinsamen Stellantrieb betätigt sind.
Die DE 39 41 715 A1 zeigt eine Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, welche eine variable Turbinengeometrie (VTG) und einen in das Gehäuse integrierten Bypass der Turbine (Wastegate) aufweist. VTG und Wastegate werden von einem einzigen Stellglied betätigt.
Die DE 198 53 360 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit serieller Doppelaufladung durch zwei Abgasturbolader, wobei sowohl die Turbine als auch der Verdichter eines Turboladers jeweils eine Bypassleitung mit jeweils einem in der Bypassleitung angeordneten Drehschieber aufweisen. Es ist eine gekoppelte Absperreinrichtung zur gemeinsamen Betätigung der beiden Drehschieber vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o. g. Art hinsichtlich der Regelung der Abgasturbolader (Ladedruckregelung) an einem zwei- oder mehrstufigen Aufladesystem mit zwei oder mehr Abgasturboladern zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein einziges, gemeinsames Stellorgan zum Betätigen sowohl des Hochdruckbypassventils als auch des Niederdruckbypassventils vorgesehen ist.
Dies hat eine Kosteneinsparung und eine Reduktion des Bauraumbedarfs als Vorteile, da auf einen Steller verzichtet und ein Steuergerät einfacher ausgebildet werden kann.
Beispielsweise ist das Stellorgan ein pneumatisch oder elektrisch betätigtes Stellorgan.
Einen besonders geringen Bauraumbedarf erzielt man dadurch, dass wenigstens die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in dem gemeinsamen Gehäuse von Hochdruckturbine und Niederdruckturbine zusätzlich das Stellorgan angeordnet.
Eine weitere Optimierung der Strömungsführung erzielt man dadurch, dass in dem gemeinsamen Gehäuse von Hochdruckturbine und Niederdruckturbine zusätzlich der Niederdruckbypasskanal und/oder der Hochdruckbypasskanal angeordnet ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Stellorgan ein mit dem Hochdruckbypassventil und dem Niederdruckbypassventil mechanisch verbundenes Stellgestänge auf, welches derart ausgebildet ist, dass das Stellorgan über einen ersten Betätigungsweg nur das Hochdruckbypassventil und über einen zweiten Betätigungsweg sowohl das Niederdruckbypassventil als auch das Hochdruckbypassventil betätigt. Hierbei ist das Stellgestänge beispielsweise als Betätigungsstange mit einem sich in axialer Richtung der Betätigungsstange erstreckenden Langloch ausgebildet, wobei die Betätigungsstange mit dem Niederdruckbypassventil über das Langloch verbunden ist.
Zweckmäßigerweise ist das Hochdruckbypassventil eine Umschaltklappe und das Niederdruckbypassventil ein Wastegate.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
2 eine beispielhafte Ausführungsform des Stellorgans in schematischer Schnittansicht.
Die in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 10, einen Frischlufttrakt 12, einen Abgastrakt 14 und eine zweistufige Aufladung mit einem Niederdruckabgasturbolader 16 einer ersten Aufladestufe und einem Hockdruckabgasturbolader 18 einer zweiten Aufladestufe. Die beiden Abgasturbolader 16, 18 sind entweder gleich oder unterschiedlich dimensioniert. Der Niederdruckabgasturbolader 16 umfasst einen in dem Frischlufttrakt 12 angeordneten Niederdruckverdichter 20 und eine in dem Abgastrakt 14 angeordnete Niederdruckturbine 22. Der Hochdruckabgasturbolader 18 umfasst einen in dem Frischlufttrakt 12 stromab das Niederdruckverdichters 20 angeordneten Hochdruckverdichter 24 und eine in dem Abgastrakt 14 stromauf der Niederdruckturbine 22 angeordnete Hochdruckturbine 26. In dem Frischlufttrakt 12 ist stromab des Hochdruckverdichters 24 ein Ladeluftkühler 27 angeordnet.
In dem Abgastrakt 14 ist ein Hochdruckbypasskanal 28 mit Hochdruckbypassventil 30 zum wahlweisen Überbrücken der Hochdruckturbine 26 vorgesehen. Weiterhin ist in dem Abgastrakt 14 ein Niederdruckbypasskanal 32 mit Niederdruckbypassventil 34 zum wahlweisen Überbrücken der Niederdruckturbine 22 vorgesehen.
Das Hochdruckbypassventil 30 ist beispielhaft eine Umschaltklappe und das Niederdruckbypassventil 34 ist beispielhaft ein Wastegate. Erfindungsgemäß ist ein einziges Stellorgan 36 zum Betätigen sowohl des Hochdruckbypassventils 30 als auch des Niederdruckbypassventils 34 vorgesehen.
Bei der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Zusätzlich ist ein Frischluftstrom stromauf der Verdichter 20, 24 mit Pfeil 38, ein Frischluftstrom zum Motorblock mit einem Pfeil 40, ein Abgasstrom vom Motorblock bzw. Abgaskrümmer (nicht dargestellt) mit Pfeil 42 und ein Abgasstrom zum Auspuff (nicht dargestellt) mit Pfeil 44 gekennzeichnet. Bei dieser Ausführungsform sind die Hochdruckturbine 26, die Niederdruckturbine 22, der Hochdruckbypasskanal 28, das Hochdruckbypassventil 30, der Niederdruckbypasskanal 32 und das Niederdruckbypassventil 34 in einem gemeinsamen Gehäuse 46 angeordnet. Dies optimiert die Strömungsführung und das Package bzw. reduziert den Bauraumbedarf.
Das in 2 beispielhaft dargestellte Stellorgan 36 umfasst eine Betätigungsstange 48, welche mit einem sich in axialer Richtung der Betätigungsstange 48 erstreckenden Langloch 50 ausgebildet ist. Die Betätigungsstange 48 ist mit dem Hochdruckbypassventil 30 und über das Langloch 50 mit dem Niederdruckbypassventil 34 verbunden. Die Betätigungsstange 48 ist, angetrieben von dem Stellorgan 36, in Pfeilrichtung 52 hin- und herbewegbar. Wie unmittelbar aus 2 ersichtlich, führt eine Bewegung der Betätigungsstange 48 in Richtung von Pfeil 54 zu einer Betätigung des Hochdruckbypassventils 30, so dass sich dieses mit zunehmender Bewegung der Betätigungsstange 48 in Richtung von Pfeil 54 zunehmend öffnet, wohingegen das Niederdruckbypassventil 34 wegen des Langlochs 50 zunächst geschlossen bleibt. Erst wenn ein Betätigungshebel 56 des Niederdruckbypassventils 34 an einem Ende des Langloches 50 anschlägt, wird mit der weiteren Bewegung der Betätigungsstange 48 in Richtung von Pfeil 54 auch das Niederdruckbypassventil 34 zunehmend geöffnet.
Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dadurch aus, dass die Betätigung der Umschalt- oder Bypassklappe 30 und die des Wastegates 34 mit einem einzigen, gemeinsamen Steller 36 erfolgt. Dies ist möglich, da es bei dem System keinen Überschneidungsbereich beider Reglersysteme (Umschaltklappe 30 und Wastegate 34) gibt. Die Abgrenzung beider Stellbereiche sowie deren Kopplung sind mechanisch, in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform mittels des Langloches 50 realisiert. Der Steller 36 ist beispielsweise pneumatisch oder elektrisch betätigt.
Die Anordnung aus Umschaltklappe 30 und Wastegate 34 regelt die Abgasströme der beiden Turbinen 22, 26 untereinander und für die Niederdruckturbine 22. Bei unterschiedlich großen Ladern 16, 18 werden bei kleinen Motordrehzahlen der kleinere Hochdruckabgasturbolader 18 und der größere Niederdruckabgasturbolader 16 maximal mit Abgas beaufschlagt, d. h. beide Ventile 30 und 34 sind vollständig geschlossen, im mittleren Drehzahlbereich wird über die Bypassklappe 30 der von den beiden Ladern 16, 18 erzeugte Ladedruck geregelt und bei hohen Drehzahlen übernimmt der Niederdruckabgasturbolader 16, der über das Wastegate 34 geregelt wird, die Arbeit.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Frischlufttrakt (12) zum Zuführen von Verbrennungsluft (40) an Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine und einem Abgastrakt (14) zum Abführen von Abgas (42) von den Arbeitszylindern, sowie mit einer zweistufigen Aufladung mit wenigstens zwei Abgasturboladern (16, 18), wobei wenigstens ein Niederdruckabgasturbolader (16) mit einer Niederdruckturbine (22) im Abgastrakt (14) sowie einem Niederdruckverdichter (20) im Frischlufttrakt (12) und wenigstens ein Hockdruckabgasturbolader (18) mit einer Hochdruckturbine (26) im Abgastrakt (14) und einem Hochdruckverdichter (24) im Frischlufttrakt (12) derart angeordnet sind, dass in dem Abgastrakt (14) die Hockdruckturbine (26) stromauf der Niederdruckturbine (22) und im Frischlufttrakt (12) der Niederdruckverdichter (20) stromauf des Hockdruckverdichters (24) angeordnet ist, wobei im Abgastrakt (14) ein Hockdruckbypasskanal (28) mit Hochdruckbypassventil (30) zum Überbrücken der Hochdruckturbine (26) sowie ein Niederdruckbypasskanal (32) mit Niederdruckbypassventil (34) zum Überbrücken der Niederdruckturbine (22) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziges, gemeinsames Stellorgan (36) zum Betätigen sowohl des Hochdruckbypassventils (30) als auch des Niederdruckbypassventils (34) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (36) ein pneumatisch oder elektrisch betätigtes Stellorgan ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Hochdruckturbine (26) und die Niederdruckturbine (22) in einem gemeinsamen Gehäuse (46) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gemeinsamen Gehäuse (46) von Hochdruckturbine (26) und Niederdruckturbine (22) zusätzlich das Stellorgan (36) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem gemeinsamen Gehäuse (46) von Hochdruckturbine (26) und Niederdruckturbine (22) zusätzlich der Niederdruckbypasskanal (32) und/oder der Hochdruckbypasskanal (28). angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (36) ein mit dem Hochdruckbypassventil (30) und dem Niederdruckbypassventil (34) mechanisch verbundenes Stellgestänge aufweist, welches derart ausgebildet ist, dass das Stellorgan (36) über einen ersten Betätigungsweg nur das Hochdruckbypassventil (30) und über einen zweiten Betätigungsweg sowohl das Niederdruckbypassventil (34) als auch das Hochdruckbypassventil (30) betätigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgestänge als Betätigungsstange (48) mit einem sich in axialer Richtung der Betätigungsstange (48) erstreckenden Langloch (50) ausgebildet ist, wobei die Betätigungsstange (48) mit dem Niederdruckbypassventil (34) über das Langloch (50) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochdruckbypassventil (30) eine Umschaltklappe und das Niederdruckbypassventil (34) ein Wastegate ist.