DE102012014189A1 - Internal combustion engine has exhaust conduits to provide lower and higher pressure drop for flowing exhaust gas, and exhaust turbine whose first cross-section of flow passage is smaller than second cross-section of flow passage - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer zweiflutigen Abgasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger having a dual-flow exhaust gas turbine with the features of the preamble of claim 1.
Abgasturbolader mit zweiflutigen Abgasturbinen werden üblicherweise bei Brennkraftmaschinen mit Stoßaufladung eingesetzt. Dabei werden Abgase derjenigen Zylinder zusammengefasst, die sich von der Zündfolge verstärken. Bei einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern sind die Abgase von drei Zylindern in einer ersten Abgasleitung zusammengefasst. Die Abgase der restlichen drei Zylinder sind in einer zweiten Abgasleitung zusammengefasst. Somit werden die Abgase in den Abgasleitungen getrennt bis vor das Abgasturbinenrad geleitet. In Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine mit stark pulsierenden Abgasmassenströmen kann mit einer solchen Turbine die Abgasenergie besser genutzt werden.Exhaust gas turbochargers with twin-flow exhaust gas turbines are usually used in internal combustion engines with surge charging. This exhaust gases of those cylinders are summarized, which amplify from the firing order. In an internal combustion engine with six cylinders, the exhaust gases of three cylinders are combined in a first exhaust pipe. The exhaust gases of the remaining three cylinders are combined in a second exhaust pipe. Thus, the exhaust gases are routed separately in the exhaust pipes to the exhaust gas turbine. In operating ranges of the internal combustion engine with strongly pulsating exhaust gas mass flows, the exhaust gas energy can be better utilized with such a turbine.
Aus den Offenlegungsschriften
Der Nachteil hierbei ist, dass durch das Aufstauen des Abgases in einer ersten Strömungsflut und ersten Abgasleitung die zugehörigen Zylinder beim Gaswechsel behindert werden. Wo hingegen in den zugehörigen Zylindern zu einer zweiten Strömungsflut und zweiten Abgasleitung ein ungehinderter Gaswechsel ablaufen kann. Ein behinderter Gaswechsel äußert sich beispielsweise in verstärkter Ausschubarbeit der Kolben oder in übermäßigem Verbleib von Restgas im Zylinder. Dies führt einerseits zu einer unvollständigen Zylinderfüllung, andererseits zu einer Temperaturerhöhung des Zylinders und der ihn umgebenden Bauteile mit den bekannten schädlichen Wirkungen, sowie thermodynamisch zu einem Wirkungsgradverlust der Brennkraftmaschine.The disadvantage here is that the damming of the exhaust gas in a first flow and first exhaust pipe, the associated cylinders are hindered in the gas exchange. Where, however, an unimpeded gas exchange can take place in the associated cylinders to form a second flow passage and second exhaust passage. A disabled gas change manifests itself, for example, in increased Ausschubarbeit the piston or in excessive fate of residual gas in the cylinder. On the one hand, this leads to an incomplete cylinder filling, on the other hand to an increase in the temperature of the cylinder and the components surrounding it with the known harmful effects, and thermodynamically to a loss of efficiency of the internal combustion engine.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein symmetrisches Aufstauverhalten und damit gleiche Turbinendurchsatzparameter des Abgases in den beiden Abgasleitungen und deren zugehörigen Strömungsfluten der Abgasturbine bis zum Abgasturbinenrad zu erreichen.The object of the invention is to achieve a symmetrical Aufstauverhalten and thus the same turbine flow rate parameters of the exhaust gas in the two exhaust pipes and their associated flow passages of the exhaust gas turbine to the exhaust gas turbine.
Die Lösung erfolgt mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.The solution is carried out with an internal combustion engine with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the subclaims.
Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine vorgesehen, welche eine erste und zweite Abgasleitung umfasst, wobei durch die erste Abgasleitung ein Abgas von mindestens einem Zylinder strömt und durch die zweite Abgasleitung das Abgas von mindestens einem zweiten Zylinder strömt und beide Abgasleitungen an einer Abgasturbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine angeordnet sind, wobei die Abgasturbine eine erste Strömungsflut mit einem ersten Querschnitt aufweist, sowie eine zweite Strömungsflut mit einem zweiten Querschnitt aufweist und die erste Strömungsflut mit der ersten Abgasleitung strömungstechnisch verbunden ist, sowie die zweite Strömungsflut mit der zweiten Abgasleitung strömungstechnisch verbunden ist, wobei im Betrieb der Brennkraftmaschine die erste Abgasleitung einen ersten, geringeren Druckverlust als die zweite Abgasleitung für das sie durchströmende Abgas aufweist und die zweite Abgasleitung einen zweiten, höheren Druckverlust als die erste Abgasleitung für das sie durchströmende Abgas aufweist und der erste Querschnitt der ersten Strömungsflut der Abgasturbine kleiner ist als der zweite Querschnitt der zweiten Strömungsflut. Diesbezügliche Zusammenhänge von strömungstechnischen und geometrischen Kennzahlen sind in den Figurenbeschreibungen näher erläutert. Ausgehend von einer Brennkraftmaschine mit unterschiedlichen Druckverlusten in den Abgasleitungen ist damit vorteilhafterweise für das Abgas insgesamt ein symmetrisches Aufstauverhalten zu erreichen. Daraus folgen gleiche Turbinendurchsatzparameter für beide Strömungsfluten der Abgasturbine. Aus dem symmetrischen Aufstauverhalten resultieren zusätzlich gleiche Gegendrücke für alle Zylinder. Dadurch erreichen die einzelnen Zylinder gleichzeitig ihre thermodynamischen Grenzen, was insgesamt thermodynamisch vorteilhaft für die Brennkraftmaschine ist.According to the invention, an internal combustion engine is provided which comprises a first and second exhaust pipe, wherein an exhaust gas flows through at least one cylinder through the first exhaust pipe and flows through the second exhaust pipe, the exhaust gas from at least one second cylinder and both exhaust pipes to an exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger Internal combustion engine are arranged, wherein the exhaust gas turbine having a first flow passage having a first cross section, and a second flow passage having a second cross section and the first flow passage fluidly connected to the first exhaust passage, and the second flow passage is fluidly connected to the second exhaust passage, wherein During operation of the internal combustion engine, the first exhaust pipe has a first, lower pressure drop than the second exhaust pipe for the exhaust gas flowing through it and the second exhaust pipe has a second, higher pressure loss than the first Abga The first cross section of the first flow passage of the exhaust gas turbine is smaller than the second cross section of the second flow passage. Relevant correlations of fluidic and geometrical characteristics are explained in more detail in the description of the figures. Based on an internal combustion engine with different pressure losses in the exhaust pipes so that a total symmetrical Aufstauverhalten can be achieved for the exhaust gas. This results in the same turbine flow rate parameters for both flow passages of the exhaust gas turbine. From the symmetrical Aufstauverhalten result in addition equal back pressures for all cylinders. As a result, the individual cylinders simultaneously reach their thermodynamic limits, which is overall thermodynamically advantageous for the internal combustion engine.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckverluste in den Abgasleitungen durch Innenwiderstände, Reibung und Strömungsumlenkungen in den Abgasleitungen hervorgerufen.According to a preferred embodiment of the invention, the pressure losses in the exhaust pipes caused by internal resistance, friction and flow deflections in the exhaust pipes.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Brennkraftmaschine im Vergleich zu zwei gleich großen, symmetrischen Querschnitten und daraus resultierenden symmetrischen Verhältnissen von Querschnittsflächen zu Radius (A/R-Verhältnis) von einer symmetrischen ersten und zweiten Strömungsflut, in der vorliegenden Erfindung der erste Querschnitt so ausgeführt, dass das erste A/R-Verhältnis der ersten Strömungsflut in einem Bereich von 90% bis 100% des symmetrischen A/R-Verhältnisses entspricht und der zweite Querschnitt so ausgeführt ist, dass das zweite A/R-Verhältnis der zweiten Strömungsflut in einem Bereich von 100% bis 110% des symmetrischen A/R-Verhältnisses entspricht. Vorteilhafterweise können somit die Querschnitte der Strömungsfluten den Druckverlusten der jeweils zugehörigen Abgasleitung angepasst werden, um gleiche Turbinendurchsatzparameter für beide Strömungsfluten der Abgasturbine zu erreichen. Das bedeutet, dass die Abgasleitung mit dem höheren Druckverlust mit dem größeren Querschnitt der Strömungsfluten, d. h. kleineren Druckverlust, kombiniert wird. Umgekehrt wird die Abgasleitung mit dem kleineren Druckverlust mit dem kleineren Querschnitt der Strömungsfluten, d. h. größeren Druckverlust, kombiniert.According to a further preferred embodiment of the invention is in the internal combustion engine compared to two equal-sized, symmetrical cross sections and resulting symmetrical ratios of cross-sectional areas to radius (A / R ratio) of a symmetrical first and second flow in the present invention, the first Cross section designed so that the first A / R ratio of the first flow trough in a range of 90% to 100% of the symmetrical A / R ratio corresponds to and the second cross-section is designed so that the second A / R ratio of the second flow passage in a range of 100% to 110% of the symmetrical A / R ratio corresponds. Advantageously, therefore, the cross sections of the flow passages can be adapted to the pressure losses of the respective associated exhaust pipe in order to achieve the same turbine flow rate parameters for both flow passages of the exhaust gas turbine. This means that the exhaust line with the higher pressure loss is combined with the larger cross-section of the flow passages, ie smaller pressure loss. Conversely, the smaller pressure loss exhaust gas line is combined with the smaller cross section of the flow passages, ie larger pressure drop.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Querschnitt der ersten Strömungsflut so ausgeführt, dass das erste A/R-Verhältnis der ersten Strömungsflut 96% des symmetrischen A/R-Verhältnisses von 100% entspricht und der zweite Querschnitt der zweiten Strömungsflut ist so ausgeführt, dass das zweite A/R-Verhältnis der zweiten Strömungsflut 104% des symmetrischen A/R-Verhältnisses von 100% entspricht.According to a further preferred embodiment of the invention, the first cross section of the first flow trough is designed so that the first A / R ratio of the first flow trough corresponds to 96% of the symmetrical A / R ratio of 100% and the second cross section of the second flow trough is so stated that the second A / R ratio of the second flow trough corresponds to 104% of the symmetrical A / R ratio of 100%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgasturbolader unsymmetrisch zu den Zylindern und deren Anschlüssen zu den Abgasleitungen angeordnet. Die Zylinder sind symmetrisch angeordnet und bilden so eine Symmetrieebene. Üblicherweise liegt in dieser Symmetrieebene der Abgasturbolader, was Einschränkungen bei der Anordnung weiterer Bauteile bedingt. Erfindungsgemäß kann mit einer unsymmetrischen Anordnung auf bauraumbedingte Gegebenheiten reagiert werden. Damit kann der Abgasturbolader so platziert werden, dass er einbautechnisch am Günstigsten liegt.According to a further preferred embodiment of the invention, the exhaust gas turbocharger is arranged asymmetrically to the cylinders and their connections to the exhaust pipes. The cylinders are arranged symmetrically and thus form a plane of symmetry. Usually lies in this plane of symmetry of the exhaust gas turbocharger, which requires restrictions in the arrangement of other components. According to the invention can be reacted to a space-related conditions with a single-ended arrangement. Thus, the exhaust gas turbocharger can be placed so that it is technically the cheapest.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgasturbolader an einem kraftseitigen Ende der Brennkraftmaschine angeordnet. In manchen Anwendungen steht radial zur Brennkraftmaschine wenig Platz für deren Einbau zur Verfügung. Daher ist es von großem Vorteil, wenn größere normalerweise radial angeordnete Komponenten, beispielsweise der Abgasturbolader, axial an der Brennkraftmaschine angeordnet werden können. Dabei bietet sich einerseits das kraftseitige, d. h. abtriebsseitige, Ende der Brennkraftmaschine an. Andererseits ist die Anordnung des Abgasturboladers am freien Ende, d. h. dem kraftseitigen gegenüber liegenden Ende, der Brennkraftmaschine möglich. Die Konsequenz daraus sind Abgasleitungen mit unterschiedlichen Druckverlusten für das Abgas.According to a further preferred embodiment of the invention, the exhaust gas turbocharger is arranged at a power end of the internal combustion engine. In some applications, there is little room for their installation radially to the engine. Therefore, it is of great advantage if larger normally radially arranged components, for example the exhaust gas turbocharger, can be arranged axially on the internal combustion engine. On the one hand, the force side, d. H. output side, end of the engine on. On the other hand, the arrangement of the exhaust gas turbocharger at the free end, d. H. the power-side opposite end of the engine possible. The consequence of this are exhaust pipes with different pressure losses for the exhaust gas.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgasturbolader an einem freien Ende der Brennkraftmaschine angeordnet.According to a further preferred embodiment of the invention, the exhaust gas turbocharger is arranged at a free end of the internal combustion engine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Abgasleitungen nach den Anschlüssen zu den Zylindern überwiegend parallel zu einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und weisen unterschiedliche Längen auf. Bei Einbausituationen mit einer Anordnung des Abgasturboladers beispielsweise an einem kraftseitigen oder freien Ende der Brennkraftmaschine, ist eine bauraumsparende Anordnung der Abgasleitungen eng anliegend an der Brennkraftmaschine und parallel zur Kurbelwelle möglich. Daraus folgen unterschiedliche Längen der Abgasleitungen mit unterschiedlichen Druckverlusten.According to a further preferred embodiment of the invention, the exhaust pipes are after the connections to the cylinders predominantly parallel to a crankshaft of the internal combustion engine and have different lengths. In installation situations with an arrangement of the exhaust gas turbocharger, for example at a power-side or free end of the internal combustion engine, a space-saving arrangement of the exhaust pipes is close fitting to the internal combustion engine and parallel to the crankshaft possible. This results in different lengths of the exhaust pipes with different pressure losses.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6
- Zylinder 1 bis 6Cylinder 1 to 6
- 22
- Kurbelwellecrankshaft
- 33
- Schwungradflywheel
- 44
- kraftseitiges Ende der Brennkraftmaschinepower end of the internal combustion engine
- 55
- freies Ende der Brennkraftmaschinefree end of the internal combustion engine
- 66
- Abgasturboladerturbocharger
- 77
- Verdichtercompressor
- 88th
- Abgasturbineexhaust turbine
- 99
- erste Strömungsflutfirst flow tide
- 1010
- erster Querschnittfirst cross-section
- 1111
- zweite Strömungsflutsecond flow tide
- 1212
- zweiter Querschnittsecond cross section
- 1313
- Abgasturbinenradexhaust turbine wheel
- 1414
- Achse AbgasturboladerAxle exhaust gas turbocharger
- 1515
- Abgasaustrittexhaust outlet
- 1616
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1717
- LadeluftleitungTurbo pipe
- 1818
- erste Abgasleitungfirst exhaust pipe
- 19 19
- zweite Abgasleitungsecond exhaust pipe
- 2020
- Eingang StrömungsflutEntrance flow tide
- 2121
- Spiralespiral
- 2222
- Achse AbgasturbinenradAxle exhaust turbine wheel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 2006022181 A1 [0003] DE 2006022181 A1 [0003]
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