-
Die
Erfindung betrifft eine Abgasturboladeranordnung für eine
Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
-
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 035 324 A1 ,
von der diese Erfindung ausgeht, ist ein Verbrennungsmotor mit mehreren
Zylindern bekannt, deren Abgase mit Krümmern zumindest
zweier Abgasgruppen zusammenfassbar sind, wobei die Abgasgruppen
durch eine Krümmerverbindung verbunden und mit zwei Abgasturboladern
versehen sind, wobei ein Abgasturbolader durch ein Absperrmittel
abschaltbar ist.
-
Weiter
ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2004 035 323 A1 ein
Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern bekannt, von denen mindestens
einer während des Betriebs des Verbrennungsmotors ab- oder
zuschaltbar ist und deren Abgase mit Krümmern zu zumindest
zwei Abgasströmen zusammenfassbar sind und mit zwei Abgasturboladern
ausgestattet, die durch die Abgasströme antreibbar sind
und Frischluft für den Verbrennungsmotor auf Ladedruck
verdichten.
-
Das
im gattungsbildenden Stand der Technik beschriebene Umschaltelement
bzw. Absperrmittel zwischen den beiden Zylindergruppen ist an dieser Stelle
sehr hohen Belastungen ausgesetzt, die insbesondere in der Stellung „Trennung
der beiden Abgasgruppen” wegen der wechselseitigen Beaufschlagung durch
die Abgasimpulse die Dauerhaltbarkeit des Umschaltelementes stark
begrenzen. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist, dass der
Verbrennungsmotor beim Betrieb mit einem Lader auf der Abgasseite
mit dem halben Zündabstand (4-Zylinder-Brennkraftmaschine:
180° Kurbelwinkel statt 360° Kurbelwinkel; 6-Zylinder-Brennkraftmaschine: 120° Kurbelwinkel
statt 240° Kurbelwinkel; 8-Zylinder-Brennkraftmaschine:
90° Kurbelwinkel statt 180° Kurbelwinkel) gegenüber
dem Betrieb mit beiden Abgasturboladern beaufschlagt wird, was zu
erhöhten Restgasgehalten bei gleichzeitig verringerter
Füllung in den Zylindern und damit verschlechterten Verbrennungsbedingungen
führt. Außerdem muss bei dieser Anordnung die
Lambda-Regelung von einem Einbanksystem auf ein Zweibanksystem umgeschaltet werden,
was im Übergangsbereich (insbesondere beim Absteuern von überschüssigem
Abgas auf den zweiten Abgasturbolader) schwierig ist, da wegen der
unterschiedlichen Strömungsverluste die beiden Zylinderbänke
nicht mit den gleichen Abgasgegendrücken betrieben werden
können.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die o. g. Nachteile für
eine gattungsgemäße Turboladeranordnung zu vermeiden.
-
Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
-
Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung „sieht” die
Brennkraftmaschine immer nur den ersten Abgasturbolader, da das
komplette Abgas zu diesem hingeführt und erst dort aufgeteilt
wird. Damit entfällt die Änderung des Zündabstandes
durch die Umschaltung der Betriebszustände von einem Ein-Abgasturboladerbetrieb
zu einem Zwei-Abgasturboladerbetrieb, was die Auslegung und die
Applikation deutlich vereinfacht. Das aus dem Stand der Technik bekannte
notwendige, zusätzliche Umschaltelement im Abgaskrümmer
kann entfallen.
-
Mit
der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine
sehr einfache Leistungsregelung der Brennkraftmaschine möglich,
sowie eine äußerst einfache Umschaltung vom Ein-Abgasturboladerbetrieb auf
den Zwei-Abgasturboladerbetrieb. Darüber hinaus kann die
Drehzahl des zweiten Abgasturboladers stets so eingestellt werden,
wie es für eine Abdichtung des Ölraumes des Lagerstuhls
des zweiten Abgasturboladers nötig ist.
-
Mit
der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 wird
eine getrennte Führung des Abgases bis zur Turbine des
ersten Abgasturboladers (Gruppentrennung) hergestellt, die für
den Ladungswechsel große Vorteile bringt. Dies ist beispielsweise
die Absenkung des Restgasgehaltes in den Zylindern über
die Spülmöglichkeit in der Überschneidungsphase
der Gaswechselventile, was zu einem besseren Liefergrad (Liefergrad
= FrischluftmasseZylinder/Frischluftmassetheoretisch) und geringerer Klopfneigung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches führt.
-
Mit
der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist die
Umgehung der Wärmesenke „Turbine 1 des ersten
Abgasturboladers” im Warmlauf der Brennkraftmaschine möglich.
Hierdurch ist eine schnellere Aufheizung der Abgasreinigungsanlage, wie
beispielsweise einem Vorkatalysator, möglich. Durch diese
Maßnahme kann die Abgasreinigungsanlage entweder eine geringere
Zellendichte aufweisen, was zu einem deutlich geringeren Abgasgegendruck
führt (somit mehr Leistung der Brennkraftmaschine) und/oder
eine geringere Edelmetallbeladung, was einen Kostenvorteil bringt.
Alternativ zu den genannten Vorteilen kann die Brennkraftmaschine
auch für schärfere Abgasgrenzwertstufen zugelassen
werden.
-
Mit
der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 wird
der technische Effekt gemäß der Ausgestaltung
nach Patentanspruch 4 nochmals verstärkt.
-
Die
gemäß Patentanspruch 6 ungleiche Auslegung der
Abgasturboladergrößen weist die zusätzlichen
Vorteile auf:
- – eine weitere „low
end torque” Anhebung (mehr Drehmoment im unteren Drehzahlbereich),
- – eine größere mögliche
Nennleistungs- oder Maximaldrehzahl für die Brennkraftmaschine
und damit ein breiteres Drehzahlband,
- – Verbesserung des transienten Verhaltens (z. B. plötzliche Änderung
der Leistungsanforderung) des gesamten Systems.
-
Im
Folgenden ist die Erfindung anhand von 6 besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen
in 6 Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
2 zeigt
schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
3 zeigt
schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
4 zeigt
schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
5 zeigt
schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
6 zeigt
schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung.
-
Im
Folgenden gelten in den 1 bis 6 für
gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
-
1 zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1 für
eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine 2 in V-Anordnung
mit einer ersten Zylindergruppe 2a – dargestellt
durch 3 Kreise, die Zylinder sind beziffert mit Z – und
einer zweiten Zylindergruppe 2b – ebenfalls dargestellt
durch 3 Kreise, die Zylinder sind beziffert mit Z –. Ansaugseitig
weist die Brennkraftmaschine 2 einen Ansauggeräuschdämpfer 14 auf,
durch den die Brennkraftmaschine durch eine erste Saugleitung 18a und
eine zweite Saugleitung 18b Frischluft ansaugt. Die angesaugte Frischluft
strömt aus der Leitung 18a in ein zweites Verdichtergehäuse 5b eines
zweiten Abgasturboladers 5 und wird verdichtet und über
eine erste Ladeluftleitung 15a durch ein Rückschlagventil 19 hindurch
und einem ersten Ladeluftkühler 16a zugeführt,
dort abgekühlt und weiter einem ersten Luftsammler mit
einem Drosselorgan 17a und von dort weiter in die Zylinder
Z der ersten Zylindergruppe 2a gefördert. Die
durch die zweite Saugleitung 18b angesaugte Luft wird einem
ersten Verdichtergehäuse 4b zugeführt,
dort verdichtet und weiter durch eine zweite Ladeluftleitung 15b einem
zweiten Ladeluftkühler 16b zugeführt,
dort abgekühlt und weiter in einen zweiten Luftsammler
mit Drosselorgan 17b zugeführt und von dort in
die Zylinder Z der zweiten Zylindergruppe 2b gefördert.
Die erste Ladeluftleitung 15a und die zweite Ladeluftleitung 15b sind
nach dem ersten und dem zweiten Verdichter 5b, 4b über eine
Verbindungsleitung 20 mit einem Absperrorgan verbunden.
Die Strömungsrichtung der Frischluft ist durch Pfeilspitzen
dargestellt. Selbstverständlich sind die erste und die
zweite Ladeluftleitung 15a, 15b in Strömungsrichtung
der Frischluft nach dem Rückschlagventil 19 und
der Verbindungsleitung mit Absperrorgan 20 gasführend
miteinander verbunden, um eine vollständige fehlerfreie
Funktion der erfindungsgemäßen Turboladeranordnung 1 zu
gewährleisten.
-
Abgasseitig
weist die erste Zylindergruppe 2a einen ersten Abgasstrang 3a auf,
in den die Abgase der drei Zylinder Z zusammenströmen,
die zweite Zylindergruppe 2b weist einen zweiten Abgasstrang 3b auf,
in den ebenfalls die Abgase der drei Zylinder Z zusammenströmen.
Die Abgase aus dem ersten und dem zweiten Abgasstrang 3a, 3b werden
gemeinsam in ein Turbinengehäuse 4a des ersten
Abgasturboladers 4 geleitet und von dort durch einen zweiten
Abgasstrang 3b' nach dem ersten Abgasturbolader 4 weiter
in eine Abgasreinigungsanlage 10. Von dort strömen
die Abgase weiter zu nicht mehr dargestellten Bauelementen einer
Abgasanlage. Weiter strömen die Abgase aus dem ersten und
dem zweiten Abgasstrang 3a, 3b in einen gemeinsamen Abgasstrangabschnitt 7,
in dem ein erstes Absperrorgan 6 angeordnet ist. Hierbei
kann es sich beispielsweise um eine Klappe handeln, einen Drehschieber, oder
andere aus dem Stand der Technik bekannte Absperrorgane. Weiter
strömen die Abgase durch den gemeinsamen Abgasstrangabschnitt 7 in
ein zweites Turbinengehäuse 5a des zweiten Abgasturboladers 5 und
weiter durch einen ersten Abgasstrang 3a' nach dem zweiten
Abgasturbolader 5 in die gemeinsame Reinigungsanlage 10 und
von dort, wie oben beschreiben, weiter. Die Strömungsrichtung
der Abgase ist ebenfalls durch Pfeilspitzen dargestellt.
-
Weiter
weist der zweite Abgasturbolader 5 ein Waste-Gate 8 auf,
mit dem der gemeinsame Abgasstrangabschnitt 7 vor dem zweiten
Turbinengehäuse 5a mit dem zweiten Abgasstrang 3a' nach
dem zweiten Abgasturbolader 5 abgasführend verbindbar ist,
wobei in dem Waste-Gate 8 ein zweites Absperrorgan 9 angeordnet
ist. Auch das zweite Absperrorgan 9 kann wie das Absperrorgan 6 ausgeführt
sein. Der gemeinsame Abgasstrangabschnitt 7 mit dem ersten
Absperrorgan 6 stellt ein Waste-Gate für den ersten
Abgasturbolader 4 dar. Unter einem Absperrorgan 6 ist
insbesondere ein Steuerorgan zu verstehen, mit dem Abgasmassenströme
auch fein dosiert, vorzugsweise stufenlos eingestellt werden können.
-
2 zeigt
schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1,
jedoch für eine Achtzylinder-Brennkraftmaschine 2 in
V-Anordnung. Die in 2 dargestellten Anordnungen
entsprechen sowohl ansaugseitig als auch abgasseitig der in 1 dargestellten
Anordnung. Es gilt das entsprechend zu 1 Ausgeführte.
-
3 zeigt
schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1,
für eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine 2 in
V-Anordnung. 3 unterscheidet sich von 1 insofern,
dass der erste Abgasturbolader 4 ein Twinscroll-Abgasturbolader
mit einem ersten und einem zweiten Abgaseinlass ist und der erste
Abgasstrang 3a in den ersten Abgaseinlass und der zweite
Abgasstrang 3b in den zweiten Abgaseinlass des Twinscroll-Abgasturboladers
mündet und dass hier das Wastegate des ersten Abgasturboladers 4,
bestehend aus dem gemeinsamen Abgasstrangabschnitt 7 mit
dem ersten Absperrorgan 6, den ersten und den zweiten Abgasstrang 3a, 3b gleichzeitig
und gleichmäßig bedient.
-
4 zeigt
schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1,
jedoch für eine Achtzylinder-Brennkraftmaschine 2 in
V-Anordnung. Die in 4 dargestellten Anordnungen
entsprechen sowohl ansaugseitig als auch abgasseitig weitgehend der
in 3 dargestellten Anordnung, jedoch sind je Zylinderbank 2a, 2b jeweils
zwei Zylinder Z entsprechend einer Zündfolge zu einer separaten
Zylindergruppe zusammengefasst, um die 180° Kurbelwinkel Zündabstand
auf der Abgasseite zu erreichen (gilt für V8-Brennkraftmaschinen
mit einer konventionellen Kurbelwelle). Es gilt weiter das entsprechend
zu 3 Ausgeführte.
-
5 zeigt
schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1,
für eine Sechszylinder-Brennkraftmaschine 2 in
V-Anordnung. 5 unterscheidet sich von 3 dadurch,
dass der erste und der zweite Abgasstrang 3a, 3b vor
dem ersten und dem zweiten Abgasturbolader 4, 5 mit
der Abgasreinigungsanlage 10 abgasführend miteinander
verbindbar sind, wobei in dieser Verbindung 11 ein drittes Absperrorgan 12 angeordnet
ist, das wie das erste Absperrorgan 6 aus 3 beide
Abgasstränge, 3a, 3b gleichzeitig öffnet
in Verbindung mit einem zusätzlichen vierten Absperrorgan 13 in
dem zweiten Abgasstrang 3b' nach dem ersten Turbolader 4.
Somit ist eine komplette Umgehung des ersten Turbinengehäuses 4a im
Warmlauf möglich, mit den o. g. genannten Vorteilen. Darüber
hinaus bietet diese Ausgestaltung zusätzlich eine Sicherheitsfunktion
zum Schutz der Abgasturbolader 4, 5.
-
6 zeigt
schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel für
eine erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung 1,
jedoch für eine Achtzylinder-Brennkraftmaschine 2 in
V-Anordnung. Das sechste Ausführungsbeispiel entspricht
einlassseitig und auslassseitig weitgehend dem in 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel, jedoch sind wie in 4 je
Zylindergruppe 2a, 2b jeweils zwei Zylinder Z
entsprechend o. g. Zündfolge zu einer separaten Zylindergruppe
zusammengefasst. Es gilt weiter das entsprechend zu 5 Ausgeführte.
-
Zusammengefasst
ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
für sämtliche Ausführungsbeispiele, wobei
auch Reihenbrennkraftmaschinen, wie z. B. Reihen-Sechszylinderbrennkraftmaschinen
oder Brennkraftmaschinen mit anderer Zylinderzahl erfindungsgemäß ausgestaltet
werden können, folgende Vorteile:
- – die
Brennkraftmaschine „sieht” immer nur einen Abgasturbolader;
- – eine einzige Lambda-Sonde ist für die Abgasreinigung
mit der Abgasreinigungsanlage 10 ausreichend (Einbankregelung),
weil die Abgase beider Zylindergruppen 2a, 2b bereits
vor den Abgasturboladern 4, 5 zusammen geführt
sind;
- – durch die gemeinsame Abgasreinigungsanlage 10,
die beispielsweise ein Vorkatalysator sein kann, die für
die Nennleistung ausgelegt ist, ist ein deutlich erweiterter Betriebsbereich
(Drehzahlbereich) für den ersten Abgasturbolader 4 möglich, wegen
des hierbei geringeren Abgasgegendruckes;
- – der erste Abgasturbolader 4 kann und sollte
kleiner sein als der zweite Abgasturbolader 5, beispielsweise
in einem Verhältnisbereich von 20:80% bis zu 45:55%;
- – durch den kleineren ersten Abgasturbolader ist ein
nochmals verbessertes Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen
Abgasturboladeranordnung 1 gegeben;
- – die Regelung der Abgasturboladeranordnung 1 kann über
konventionelle Wastgate-Klappen, beispielsweise mit Unterdruckdosenbetätigung
oder elektrischer Betätigung erfolgen;
- – es ist eine sehr kompakte mechanische Ausführung
möglich: die Abgaskrümmer und die beiden Turbinen
können beispielsweise in einem einzigen Gussteil vereinigt
sein;
- – Mit den Ausführungen gemäß der 5 und 6 mit
zwei zusätzlichen Absperrorganen 12, 13 ist
auch eine Turbinenumgehung zur Erfüllung allerhöchster
Abgasnormen möglich, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
kann diese sogar nur mit einem einzigen kombinierten Absperrorgan
dargestellt werden.
-
Betriebsstrategie:
-
Die
Leistungsregelung der Brennkraftmaschine 2 erfolgt im „Ein-Abgasturboladerbetrieb” über das
Waste-Gate des ersten Abgasturboladers 4 (gemeinsamer Abgasstrangabschnitt 7 mit
dem ersten Absperrorgan 6), wobei mit dem zweiten Waste-Gate 8 des
zweiten Abgasturboladers 5 eine für die Abdichtung
des Ölraums des Lagerstuhls ausreichende Drehzahl des zweiten
Abgasturboladers 5 eingestellt wird. Hierbei ist die Verbindungsleitung 20 geöffnet, damit
der vom zweiten Abgasturbolader 5 geförderte Luftmassenstrom
abströmen kann und der zweite Abgasturbolader 5 „pumpfrei” läuft.
-
Wenn
der Übergang vom Ein- in den Zwei-Abgasturboladerbetrieb
ansteht, wird das zweite Absperrorgan 9 im Waste-Gate 8 geschlossen
und die Tur binendrehzahl des zweiten Abgasturboladers 5 so
weit hochgefahren, bis ein drehmomentneutraler Umschaltvorgang möglich
ist (d. h. der zweite Abgasturbolader 5 ist dann auf einer
Drehzahl, mit der er unmittelbar den danach benötigten
Ladedruck liefern kann). Für den eigentlichen Umschaltvorgang
wird dann die Verbindungsleitung mit dem Absperrorgan 20 geschlossen
und der Verdichter des zweiten Abgasturboladers 5 überdrückt
mit seinem Luftmassenstrom das Rückschlagventil 19.
Dieses Rückschlagventil 19 wird benötigt,
damit der erste Abgasturbolader 4 einen Ladedruck aufbauen
kann.
-
Im
Zwei-Abgasturboladerbetrieb ist das erste Absperrorgan 6 offen
und die Leistungsregelung wird mit dem zweiten Absperrorgan 9 im
Waste-Gate 8 vorgenommen. Das erste Absperrorgan 6 kann
zur Optimierung der beiden Abgasturboladerbetriebspunkte verwendet
werden.
-
Diese
zweite Betriebsart ist auch vorteilhaft für eine nicht
aufgeladene Teillast der Brennkraftmaschine 2. Damit ist
sichergestellt, dass beide Abgasturbolader 4, 5 eine
ausreichende Drehzahl aufweisen, die zur Abdichtung der Lagerstühle
der Turbinenwellen erforderlich ist.
-
Durch
eine geeignete Wahl der Abgasturbinengrößen kann
in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass der erste, kleinere
Abgasturbolader 4 nicht überdreht.
-
- 1
- Abgasturboladeranordnung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 2a
- erste
Zylindergruppe
- 2b
- zweite
Zylindergruppe
- 3a
- erster
Abgasstrang
- 3a'
- erster
Abgasstrang nach Abgasturbolader
- 3b
- zweiter
Abgasstrang
- 3b'
- zweiter
Abgasstrang nach Abgasturbolader
- 4
- erster
Abgasturbolader
- 4a
- erstes
Turbinengehäuse
- 4b
- erstes
Verdichtergehäuse
- 5
- zweiter
Abgasturbolader
- 5a
- zweites
Turbinengehäuse
- 5b
- zweites
Verdichtergehäuse
- 6
- erstes
Absperrorgan
- 7
- gemeinsamer
Abgasstrangabschnitt
- 8
- Waste-Gate
- 9
- zweites
Absperrorgan
- 10
- Abgasreinigungsanlage
- 11
- Verbindung
- 12
- drittes
Absperrorgan
- 13
- viertes
Absperrorgan
- 14
- Ansauggeräuschdämpfer
- 15a
- erste
Ladeluftleitung
- 15b
- zweite
Ladeluftleitung
- 16a
- erster
Ladeluftkühler
- 16b
- zweiter
Ladeluftkühler
- 17a
- erster
Luftsammler mit Drosselorgan
- 17b
- zweiter
Luftsammler mit Drosselorgan
- 18a
- erste
Saugleitung
- 18b
- zweite
Saugleitung
- 19
- Rückschlagventil
- 20
- Verbindungsleitung
mit Absperrorgan
- Z
- Zylinder
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004035324
A1 [0002]
- - DE 102004035323 A1 [0003]