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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern und zwei Abgasturboladern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim Einsatz von Abgasturboladern bei modernen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen liegt bei niedrigen und mittleren Drehzahlen der Brennkraftmaschine ein verzögertes Ansprechverhalten des Abgasturboladers vor, da in einem solchen Drehzahlbereich die Turbine des Abgasturboladers mit einer geringen Abgasmenge beaufschlagt ist.
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Aus der
EP 1 662 109 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen, zwei Abgaskrümmern und zwei Abgasturboladern bekannt. Jedem Abgasturbolader werden Abgase von vier Zylindern zugeführt, welche von beiden Zylinderreihen stammen. Darüber hinaus sind beide Abgaskrümmer miteinander verbunden, so dass bei magerem Betrieb und bei niedriger Last der erste Abgasstrang von einem Stellelement verschlossen wird. Bei dieser Betriebsart durchströmen die Abgase aller Zylinder einen Abgasturbolader, so dass ausreichend Energie im Abgas vorhanden ist, um den Abgasturbolader mit einem guten Wirkungsgrand zu betreiben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass eine Nutzung der Abgasenergie durch die Abgasturbolader verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass in einem unteren Drehzahlbereich bei niedriger Last das Ventil der Abgasverbindungsleitung verschlossen wird, und die Turbinen beider Abgasturbolader mit Abgas beaufschlagt werden, wobei im unteren Drehzahlbereich bei hoher Leistung das Ventil in der Abgasverbindungsleitung geöffnet wird, und eine Turbine mit dem kompletten Abgasstrom der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, und wobei bei zunehmender Drehzahl das Ventil in der Abgasverbindungsleitung verschlossen wird und die Turbinen beider Abgasturbolader mit Abgas beaufschlagt werden. Vorzugsweise ist mindestens ein Abgasturbolader mit verstellbaren Leitschaufeln versehen, so dass dieser Abgasturbolader durch die Verstellung der Leitschaufeln verschlossen werden kann. In diesem Betriebspunkt durchströmt bei geöffnetem Ventil das Abgas beider Zylinderreihen durch einen Abgasturbolader.
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Hierdurch kann im Low-End Torque-Bereich, d.h., bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last, ein bestmögliches Ansprechverhalten des Abgasturboladers erreicht werden. Da in einem solchen Betriebspunkt die komplette Abgasmenge der Brennkraftmaschine einem Abgasturbolader zugeführt wird, wird in diesem Betriebspunkt eine hohe Leistungsausbeute als bei einem Betrieb mit beiden Abgasturboladern ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung beruht darauf, die komplette Abgasmenge der Brennkraftmaschine in unteren Drehzahlbereich bei hoher Leistung auf den ersten Abgasturbolader umzuleiten, in dem beim zweiten Abgasturbolader die verstellbaren Leitschaufeln derart verstellt werden, dass der zweite Abgasturbolader still gelegt wird. Bei geöffnetem Ventil innerhalb der Abgasverbindungsleitung wird dann das Abgas vom zweiten Abgaskrümmer in den ersten Abgaskrümmer umgeleitet, so dass die komplette Abgasmenge der Brennkraftmaschine dem ersten Abgasturbolader zugeführt wird. Folglich durchströmt in diesem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die gesamte Abgasmenge den zweiten Verdichter, so dass das Ansprechverhalten des ersten Abgasturboladers bei diesem Betriebspunkt optimiert wird. Hierdurch werden bei niedrigen Drehzahlen höhere Momente erzielt. Ist die geforderte Last bei solchen niedrigen Drehzahlen gering, dann werden beide Abgasturbolader mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist für jede Zylinderreihe jeweils eine Drosselklappe vorgesehen, die jeweils zwischen dem jeweiligen Verdichter des Abgasturboladers und dem anschließend positionierten Ladeluftkühler angeordnet ist.
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Hierdurch kann ein an dieser Stelle notwendiges Rückschlagventil entfallen. Die jeweilige Drosselklappe nach dem zweiten Abgasturbolader übernimmt dabei die Funktion des Rückschlagventils. Vorzugsweise sind die Ladeluftkühler als Luft/Wasser-Kühler ausgebildet. Somit wird das Volumen zwischen der Drosselklappe und den Einlassventilen verkleinert, so dass das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine deutlich verbessert wird. Mit einer solchen Ausgestaltung können die Ladeluftkühler motornah positioniert werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist beim zweiten Abgasturbolader ein den zweiten Verdichter umgehendes Schubumluftventil vorgesehen. Vorzugsweise entfällt das Schubumluftventil am ersten Abgasturbolader, da der Verdichter des ersten Abgasturboladers über eine Ladeluftverbindungsleitung und das Schubumluftventil des zweiten Abgasturboladers mit der Niederdruckseite kurz geschlossen werden kann. Die Ladeluftverbindungsleitung dient dazu, Ladeluft vom ersten Abgasturbolader in die gegenüberliegende Zylinderreihe des zweiten Abgasturboladers Ladeluft zu fördern, wenn der zweite Abgasturbolader abgeschaltet bzw. still gelegt ist.
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Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen und zwei Abgaskrümmern sowie mit zwei Abgasturboladern,
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2 eine weitere Darstellung der Brennkraftmaschine aus 1 bei einem Betriebspunkt, in dem beide Abgasturbolader in Betrieb sind,
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3 eine schematische Darstellung einer Leistungskurve der Brennkraftmaschine aus 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl, und
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4 eine weitere Darstellung der Brennkraftmaschine aus 1 bei einem Betriebspunkt, in dem der zweite Abgasturbolader abgeschaltet ist.
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In 1 ist eine fremdgezündete und aufgeladene Brennkraftmaschine 1 schematisch gezeigt, die aus acht Zylindern gebildet ist, welche in zwei Reihen 2 und 2’ angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung eignet sich ebenfalls für Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern, die in einer Reihe angeordnet sind und in zwei Gruppen aufgeteilt sind. Darüber hinaus eignet sich die vorliegende Erfindung für aufgeladene Brennkraftmaschinen mit Selbstzündung.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist aus acht Zylindern 15 und 15’ gemäß 2 gebildet, die in zwei Zylinderreihen 2 und 2’ angeordnet sind. Jede Zylinderreihe 2 und 2’ umfasst jeweils zwei außen und zwei mittig positionierte Zylinder. Der ersten Zylinderreihe 2 ist ein erster Abgasturbolader 5 und ein diesem Abgasturbolader 5 nachgeschalteter Ladeluftkühler 12 zugeordnet. Der zweiten Zylinderreihe 2’ ist ein zweiter Abgasturbolader 6 und ein diesem Abgasturbolader 6 nachgeschalteter Ladeluftkühler 11 zugeordnet. Der erste Abgasturbolader 5 umfasst eine erste Turbine 7 und einen ersten Verdichter 8. Der zweite Abgasturbolader 6 umfasst eine zweite Turbine 9 und einen zweiten Verdichter 10.
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Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine 1 nach der V-Bauart gebildet. Bei der vorliegenden achtzylindrigen Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern pro Zylinderreihe ergeben sich Zündreihenfolgen durch die vorliegende Zylindergruppierung der Abgaskrümmer 3 und 4 eine Ladungswechsel- und Zündfolgentrennung, bei der die entstehenden Abgasausstöße abwechselnd in den ersten und den zweiten Abgasturbolader erfolgen. Eine Beeinflussung des Ladungswechsels eines Zylinders durch die Abgasausstöße eines anderen Zylinders wird somit verhindert. Eine solche Zündfolge kann beispielsweise derart erfolgen, dass wenn die Zylinder der beiden Zylinderbänke fortlaufend in der gleichen Richtung durchnummeriert sind, ergibt sich die Zündreihenfolge Z1-Z5-Z4-Z8-Z7-Z3-Z6-Z2. Dabei zündet jeweils abwechselnd einer der Zylinder des Abgaskrümmers, so dass ein Zündabstand von 180° erfolgt. Das führt zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Abgasturbolader 5 und 6.
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Zwischen dem ersten Verdichter 8 und dem Ladeluftkühler 12 ist eine erste Drosselklappe 16 positioniert. Zwischen dem zweiten Verdichter 10 und dem Ladeluftkühler 11 ist eine zweite Drosselklappe 17 angeordnet. Darüber hinaus sind gemäß 2 ein erster Krümmer 3 vorgesehen, von dem die Abgase in den ersten Abgasturbolader 5 münden. Ein zweiter Abgaskrümmer 4 ist ebenfalls vorgesehen, von dem die Abgase in den zweiten Abgasturbolader 6 münden. Der erste Abgaskrümmer 3 ist mit den Auslasskanälen der äußeren Zylinder Z1 und Z4 der ersten Zylinderreihe 2 und mit den Auslasskanälen der mittleren Zylinder Z6 und Z7 der zweiten Zylinderreihe 2’ verbunden. Der zweite Krümmer 4 ist mit den Auslasskanälen der äußeren Zylinder Z5 und Z8 der zweiten Zylinderreihe 2’ und den mittleren Zylindern Z2 und Z3 der ersten Zylinderreihe 2 verbunden.
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Bei jedem Abgasturbolader 5 und 6 sind jeweils die Turbine 7 und 9 und der Verdichter 8 und 10 auf einer Welle miteinander verbunden. Beim zweiten Abgasturbolader 6 besitzt die Turbine 9 verstellbare Leitschaufeln, welche auf einem nicht dargestellten Trägerring befestigt sind. Gleichzeitig sind die Leitschaufeln mit einem Verstellring verbunden, der entweder über ein Stellmotor oder eine Unterdruckdose betätigt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Leitschaufeln derart verstellt werden, dass die Zuführung von Abgas durch den zweiten Abgasturbolader 6 eingestellt und dieser still gelegt wird. Somit gelangt kein Abgas durch die Turbine 9.
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Darüber hinaus ist der erste Krümmer 3 mit dem zweiten Krümmer 4 durch eine Abgasverbindungsleitung 14 verbunden, wobei innerhalb der Abgasverbindungsleitung 14 ein Ventil 13, beispielsweise in Form einer Klappe, positioniert ist, mit dem die Abgasverbindungsleitung 14 verschlossen werden kann. Wird der zweite Abgasturbolader 6 still gelegt und gleichzeitig das Ventil 13 geöffnet, gelangen die Abgase aus dem zweiten Abgaskrümmer 4 in den ersten Abgaskrümmer 3. Folglich wird der erste Abgasturbolader 5 mit dem kompletten Abgas der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt Ein solcher Betriebspunkt ist in 4 dargestellt.
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In 3 ist die Betriebsstrategie der Brennkraftmaschine 1 dargestellt. In 3 ist die Leistungskurve bei Volllast in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 gezeigt. Wird bei niedriger Drehzahl eine hohe Last erfordert, wie beispielsweise die in 3 gezeigten Betriebspunkte A und B, werden die verstellbaren Leitschaufeln im zweiten Verdichter 9 derart verstellt, dass kein Abgas in den Verdichter 9 hineinströmt. Gleichzeitig wird das Ventil 13 geöffnet. Infolgedessen werden die Abgase aus allen Zylindern der Brennkraftmaschine 1 dem ersten Abgasturbolader 5 zugeführt. Ein solcher Betriebspunkt ist in 3 mit A bzw. mit B bezeichnet. Beide Betriebspunkte korrespondieren mit der Darstellung aus 4. In diesen beiden Betriebspunkten wird gemäß 3 ein höheres Drehmoment gemäß dem Linienverlauf 26 erzielt im Vergleich zu einem Betrieb mit zwei Abgasturboladern gemäß dem Linienverlauf 25. Der Betrieb mit zwei Abgasturboladern entspricht die durchgezogene Linie 25 zwischen A und D. Der Betrieb mit dem ersten Abgasturbolader 5 entspricht bei solchen Drehzahlen die gestrichelte Linie 26 zwischen A und D. Demnach erfolgt im Betriebspunkt A zuerst ein Umschalten von einem Betrieb mit den Abgasturboladern 5 und 6 auf einen Betrieb mit dem Abgasturbolader 5. Im Betriebspunkt C werden die verstellbaren Leitschaufeln im Abgasturbolader 6 langsam geöffnet, wobei gleichzeitig das Ventil 13 geschlossen wird. Eine Beaufschlagung des zweiten Abgasturboladers 6 mit Abgas findet statt, so dass im Betriebspunkt D gemäß 3 beide Abgasturbolader 5 und 6 in Betrieb sind.
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Beim Übergang von C zu D wird das Schubumluftventil 18 des zweiten Abgasturboladers 6 geöffnet und wieder geschlossen. Das Schubumluftventil 18 verbindet beim zweiten Abgasturbolader 6 der Ladeluftbereich mit dem Bereich der Saugseite, so dass bei geschlossener Drosselklappe 17 die Ladeluft erneut zu der Saugseite umgeleitet wird, um ein Abbremsen des Verdichters 10 zu verhindern.
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In 4 ist ein Low-End Torque-Bereich dargestellt, bei dem der zweite Abgasturbolader 6 abgeschaltet ist. Dabei wird bei einem geöffneten Ventil 13 der gesamte Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine dem ersten Abgasturbolader 5 zugeführt. In diesem Betriebspunkt wird die Drosselklappe 17, welche der zweiten Zylinderreihe 2’ zugeordnet ist, geschlossen, um ein Zurückströmen der Ladeluft vom zweiten Ladeluftkühler 11 in den zweiten Verdichter 10 zu verhindern. Um in einem solchen Betriebspunkt die zweite Zylinderreihe 2’ mit Ladeluft zu versorgen, ist eine Ladeluftverbindungsleitung 19 vorgesehen, welche in den Ladeluftkühler 11 mündet und von einem Bereich zwischen der ersten Drosselklappe 16 und dem ersten Ladeluftkühler 12 abzweigt.
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Bei einer Umschaltung von einem Betrieb mit einem Turbolader auf einen Betrieb mit zwei Turboladern wird erfindungsgemäß eine drehmomentneutrale Umschaltung derart erzielt, dass vor dem Schließen des Ventils 13 eine gleichmäßige Beaufschlagung der beiden Verdichter 8 und 10 vorliegt. Das wird gewährleistet dadurch, dass beide Verdichter 8 und 10 eine ähnliche Drehzahl erreichen. Eine Angleichung der Verdichterdrehzahl wird dadurch erreicht, dass die verstellbaren Leitschaufeln der zweiten Turbine 9 entsprechend eingestellt werden.
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In 4 ist mit dem Pfeil 22 der Strömungsweg der Verbrennungsluft veranschaulicht ist, wobei mit den Pfeilen 20 und 21 der Strömungsweg der Verbrennungsluft beim Betrieb mit zwei Abgasturboladern gemäß 1 veranschaulicht ist. Entlang der Pfeile 23 strömt Ladeluft über die Ladeluftverbindungsleitung 19 vom ersten Verdichter 8 zu der zweiten Zylinderreihe 2’, wobei entlang der Pfeile 24 die Ladeluft zu der ersten Zylinderreihe 2 strömt. Die beiden Ladeluftkühler 11 und 12 sind als wassergekühlte Ladeluftkühler ausgebildet und verfügen vorzugsweise über einen gemeinsamen Wasserkühlungskreislauf.
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Die vorliegende Brennkraftmaschine 1 ist als V8-Motor ausgebildet, bei der beide Abgaskrümmer 3 und 4 im V-Bereich positioniert sind und bankübergreifend mit unterschiedlichen Auslassventilen der beiden Zylinderreihen 2 und 2’ verbunden sind. Demnach kann abgasseitig eine Zündfolgetrennung von 180° realisiert werden. Mit dem vorliegenden Konzept wird bei niedrigen Drehzahlen ein bestmögliches Ansprechverhalten mit einem höchstmöglichen Drehmoment und einer hohen Leistungsausbeute erzielt.
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Demzufolge wird bei niedrigen Drehzahlen eine optimale Volllastcharakteristik erreicht, mit der ein durchzugsstarkes Antriebsaggregat zur Verfügung gestellt werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Leerlauf sowie in einem Teillastbereich eine klassische Bi-Turbo Verschaltung aktiviert, so dass eine gleichmäßige Verteilung der Abgasvolumenströme auf beide Abgasturbolader 5 und 6 vorliegt. Alternativ ist ebenfalls der erste Abgasturbolader 5 mit verstellbaren Leitschaufeln auf der Turbinenseite versehen. Demnach können beide Abgasturbolader je nach Betriebspunkt optimal über die entsprechende Lastregelung betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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