DE102013215574A1 - Charged internal combustion engine with exhaust aftertreatment and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit einer Ansaugleitung (2) zur Versorgung mit Ladeluft und einer Abgasleitung (4) zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (6, 7), die jeweils eine in der Abgasleitung (4) angeordnete Turbine (6a, 7a) und einen in der Ansaugleitung (2) angeordneten Verdichter (6b, 7b) umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader (6) als Niederdruckstufe (6) dient und ein zweiter Abgasturbolader (7) als Hochdruckstufe (7) dient, wobei – die zweite Turbine (7a) des zweiten Abgasturboladers (7) stromaufwärts der ersten Turbine (6a) des ersten Abgasturboladers (6) angeordnet ist und der zweite Verdichter (7b) des zweiten Abgasturboladers (7) stromabwärts des ersten Verdichters (6b) des ersten Abgasturboladers (6) angeordnet ist, – eine erste Bypassleitung (14) vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine (6a) unter Ausbildung eines Knotenpunktes (8) von der Abgasleitung (4) abzweigt, – eine zweite Bypassleitung (12) vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine (7a) von der Abgasleitung (4) abzweigt und in der ein Absperrelement (13) angeordnet ist, und – stromabwärts der Turbinen (6a, 7a) in der Abgasleitung (4) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (15) vorgesehen ist, wobei ein Ventil (9) am Knotenpunkt (8) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.The invention relates to a supercharged internal combustion engine (1) having an intake line (2) for supplying charge air and an exhaust line (4) for discharging the exhaust gas and having at least two exhaust gas turbochargers (6, 7) connected in series. 4) arranged turbine (6a, 7a) and in the intake passage (2) arranged compressor (6b, 7b) and of which a first exhaust gas turbocharger (6) as a low-pressure stage (6) and a second exhaust gas turbocharger (7) as a high-pressure stage ( 7), wherein - the second turbine (7a) of the second exhaust gas turbocharger (7) upstream of the first turbine (6a) of the first exhaust gas turbocharger (6) and the second compressor (7b) of the second exhaust gas turbocharger (7) downstream of the first compressor (6b) of the first exhaust gas turbocharger (6) is arranged, - a first bypass line (14) is provided upstream of the first turbine (6a) forming a node (8) of the exhaust pipe (4) a a second bypass line (12) is provided, which branches off from the exhaust line (4) upstream of the second turbine (7a) and in which a shut-off element (13) is arranged, and - downstream of the turbines (6a, 7a) in the Exhaust pipe (4) at least one exhaust aftertreatment system (15) is provided, wherein a valve (9) at the node (8) in the exhaust pipe (4) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Ansaugleitung zur Versorgung mit Ladeluft und einer Abgasleitung zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine in der Abgasleitung angeordnete Turbine und einen in der Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine unter Ausbildung eines Knotenpunktes von der Abgasleitung abzweigt,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine von der Abgasleitung abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist, und
- – stromabwärts der Turbinen in der Abgasleitung mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist.
- The second turbine of the second exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger and the second compressor of the second exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the first compressor of the first exhaust gas turbocharger
- A first bypass line is provided, which branches off from the exhaust line upstream of the first turbine, forming a junction,
- - A second bypass line is provided, which branches off from the exhaust pipe upstream of the second turbine and in which a shut-off element is arranged, and
- - At least one exhaust aftertreatment system is provided downstream of the turbines in the exhaust pipe.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art. Furthermore, the invention relates to a method for operating a supercharged internal combustion engine of the type mentioned above.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt. An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine comprises gasoline engines, diesel engines, but also hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden. The charge is used primarily to increase the performance of the internal combustion engine. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads in which the specific fuel consumption is lower. The latter is also referred to as downsizing.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption due to the limited resources of fossil fuels, in particular due to the limited reserves of mineral oil as a raw material for the recovery of fuels for the operation of internal combustion engines. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird und sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. As a rule, an exhaust gas turbocharger is used for the supercharging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft, wherein the hot exhaust gas flow is supplied to the turbine and relaxes with energy release in this turbine, whereby the shaft is rotated. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Optionally, a charge air cooling is additionally provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder.
Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase. The advantage of the exhaust gas turbocharger, for example in comparison to a mechanical supercharger, is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein starker Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung. The interpretation of the turbocharger turbocharger is difficult, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. In supercharged internal combustion engines with an exhaust gas turbocharger falls below a certain speed, a strong torque drop is observed. This effect is undesirable and therefore also counts among the most serious disadvantages of turbocharging.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. For example, if the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. As a result, at lower speeds towards the boost pressure ratio also decreases, which is synonymous with a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, was aber zu Nachteilen bei hohen Drehzahlen führt. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen einer Abgasabblasung mittels Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine is attempted to improve by different measures according to the prior art, for example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung, but this leads to disadvantages at high speeds. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical value, part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine as part of an exhaust gas blow-by means of a bypass line.
Grundsätzlich ist auch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes zusammen mit einer Ladeluftabblasung möglich, wobei diese Variante aufgrund der energetischen Nachteile der Ladeluftabblasung selten zum Einsatz kommt, und die vorhandenen Verdichter an ihre Fördergrenze geraten können und somit die gewünschte Leistung nicht mehr dargestellt werden kann. Basically, a small design of the turbine cross-section is possible together with a charge air blower, this variant is rarely used due to the energetic disadvantages of Ladeluftabblasung, and the existing compressor can get to their delivery limit and thus the desired performance can not be displayed.
Der Abgasturbolader kann aber auch auf hohe Drehzahlen abgestimmt mit einem großen Turbinenquerschnitt ausgelegt werden. Dabei wird das Saugsystem dann in der Weise gestaltet, dass durch Wellenvorgänge bei niedrigen Drehzahlen eine dynamische Aufladung erfolgt. Nachteilig sind dabei der hohe Bauaufwand und das träge Verhalten bei Drehzahländerungen. The exhaust gas turbocharger can also be designed for high speeds with a large turbine cross section. In this case, the suction system is then designed in such a way that a dynamic charging takes place by wave processes at low speeds. Disadvantages are the high construction costs and the sluggish behavior with changes in speed.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine Anpassung der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, so dass eine Regelung der Turbinengeometrie im Hinblick auf niedrige und hohe Drehzahlen als auch für niedrige und hohe Lasten erfolgen kann. A turbine with variable turbine geometry allows an adjustment of the turbine geometry or the effective turbine cross-section at the respective operating point of the internal combustion engine, so that a control of the turbine geometry in terms of low and high speeds as well as low and high loads can be done.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Turbolader verbessert werden, gegebenenfalls in Kombination mit einem mechanischen Lader. The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further improved by a plurality of turbochargers connected in parallel or in series, optionally in combination with a mechanical supercharger.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen. The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least two turbochargers arranged in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Teillastbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine von der Abgasleitung ab und mündet stromabwärts der Turbine wieder in die Abgasleitung, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. In particular, in the case of the exhaust gas turbocharger serving as a high-pressure stage, it is possible to shift the surge limit to smaller compressor flows, whereby high charge pressure ratios can be achieved even with small compressor flows, which significantly improves the torque characteristic in the lower part load range. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a bypass line, with which increasing exhaust gas mass flow increasingly exhaust gas is passed to the high-pressure turbine. For this purpose, the bypass line branches off from the exhaust gas line upstream of the high-pressure turbine and flows back into the exhaust gas line downstream of the turbine, wherein a shut-off element is arranged in the bypass line in order to control the exhaust gas flow passed by the high-pressure turbine.
Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten aber darüber hinaus noch weitere Vorteile. Die Leistungssteigerung durch Aufladung kann weiter erhöht werden. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derart aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich, deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern lässt. However, two turbochargers connected in series offer even more advantages. The increase in performance through charging can be further increased. Furthermore, the response of such a supercharged internal combustion engine, especially in the partial load range, significantly improved over a comparable internal combustion engine with single-stage supercharging. The reason for this is that the smaller high-pressure stage is less sluggish than a larger exhaust-gas turbocharger used in the context of a single-stage supercharger because the rotor or impeller of a smaller exhaust-gas turbocharger accelerates and decelerates faster.
Dies hat auch hinsichtlich der Partikelemissionen Vorteile. Da bei einer Beschleunigung die notwendige Zunahme der den Zylindern zugeführten Luftmasse der erhöhten Kraftstoffmenge infolge der Trägheit der Laufräder nur verzögert erfolgt, wird die Ladeluft bei einem kleineren Hochdruckturbolader nahezu verzögerungsfrei dem Motor zugeführt, und somit werden Betriebszustände mit erhöhter Partikelemission nahezu vermieden. This also has advantages in terms of particle emissions. Since the necessary increase in the air mass supplied to the cylinders of the increased amount of fuel due to the inertia of the wheels takes place only at a delay when accelerating, the charge air is fed to the engine almost instantaneously in a smaller high-pressure turbocharger, and thus operating conditions with increased particle emission are almost avoided.
Als problematisch erweist sich die Abgasturboaufladung in Kombination mit einer Abgasnachbehandlung. Eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
Nachteilig an dem in der
Der aufgezeigte Konflikt zwischen Abgasturboaufladung und Abgasnachbehandlung kann nach dem Stand der Technik nicht aufgelöst werden. The indicated conflict between exhaust turbocharging and exhaust aftertreatment can not be resolved according to the prior art.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere nach einem Kaltstart gleichzeitig hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können und eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme realisiert werden kann. Against this background, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the disadvantages known in the prior art can be overcome and with which, in particular after a cold start high charging pressures can be provided and a fast Heating the exhaust aftertreatment systems can be realized.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art aufzuzeigen. Another object of the present invention is to provide a method of operating a supercharged internal combustion engine of the type mentioned above.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Ansaugleitung zur Versorgung mit Ladeluft und einer Abgasleitung zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine in der Abgasleitung angeordnete Turbine und einen in der Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine unter Ausbildung eines Knotenpunktes von der Abgasleitung abzweigt,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine von der Abgasleitung abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist, und stromabwärts der Turbinen in der Abgasleitung mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – ein Ventil am Knotenpunkt in der Abgasleitung angeordnet ist.
- The second turbine of the second exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger and the second compressor of the second exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the first compressor of the first exhaust gas turbocharger
- A first bypass line is provided, which branches off from the exhaust line upstream of the first turbine, forming a junction,
- A second bypass line is provided, which branches off the exhaust line upstream of the second turbine and in which a shut-off element is arranged, and downstream of the turbines in the exhaust line at least one exhaust aftertreatment system is provided, and which is characterized in that
- - A valve is arranged at the node in the exhaust pipe.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit zwei in Reihe geschalteten, in einer Abgasleitung angeordneten Turbinen und zwei in Reihe geschalteten, in einer Ansaugleitung angeordneten Verdichtern ausgestattet. The internal combustion engine according to the invention is equipped with two turbines arranged in series, arranged in an exhaust line, and two compressors connected in series and arranged in an intake line.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter, weil bei dieser Ausgestaltung der Brennkraftmaschine der erste Verdichter im Rahmen der zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe bildet, wohingegen der zweite Verdichter die bereits vorverdichtete Luft komprimiert und somit die Hochdruckstufe darstellt. Advantageously, therefore, embodiments in which the first compressor is designed to be larger than the second compressor, because in this embodiment of the internal combustion engine, the first compressor in the two-stage compression forms the low pressure stage, whereas the second compressor compresses the already precompressed air and thus represents the high-pressure stage ,
Aus demselben Grund sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Denn die zweite Turbine dient als Hochdruckturbine, während sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist. For the same reason, embodiments are advantageous in which the first turbine is designed to be larger than the second turbine. Because the second turbine serves as a high-pressure turbine, while relaxed in the first turbine, an exhaust stream, which already has a lower pressure and a lower density as a result of passing through the high-pressure stage.
Erfindungsgemäß verfügt die Turbine der Hochdruckstufe über keine Bypassleitung, wohingegen die Turbine der Niederdruckstufe über eine Bypassleitung verfügt, durch die Abgas an der Turbine vorbei geleitet werden kann. According to the invention, the turbine of the high-pressure stage has no bypass line, whereas the turbine of the low-pressure stage has a bypass line, through which exhaust gas can be conducted past the turbine.
Während der Warmlaufphase wird der Abgasstrom, vorzugsweise der gesamte Abgasstrom, durch die zweite Turbine, d. h. durch die Turbine der Hochdruckstufe, geführt und stromabwärts der zweiten Turbine via erster Bypassleitung, die stromaufwärts der ersten Turbine unter Ausbildung eines Knotenpunktes von der Abgasleitung abzweigt, an der ersten Turbine vorbei und wieder in die Abgasleitung geleitet. During the warm-up phase, the exhaust gas flow, preferably the entire exhaust gas flow, through the second turbine, i. H. passed through the turbine of the high-pressure stage, and downstream of the second turbine via the first bypass line, which branches off upstream of the first turbine to form a node from the exhaust pipe, passed the first turbine and back into the exhaust pipe.
Wird der gesamte Abgasstrom in der Warmlaufphase durch die kleinere zweite Turbine geführt, wird dadurch ein ausreichend hoher Ladedruck erzeugt. Gleichzeitig wird durch Umgehung der ersten Turbine die größere als Temperatursenke anzusehende Turbine eliminiert und das heiße Abgas direkt dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt, weshalb dieses System nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase schneller seine Anspringtemperatur erreicht. If the entire exhaust gas flow in the warm-up phase is passed through the smaller second turbine, this produces a sufficiently high boost pressure. At the same time, by bypassing the first turbine, the larger turbine to be regarded as a temperature sink is eliminated and the hot exhaust gas is fed directly to the at least one exhaust aftertreatment system, which is why this system reaches its light-off temperature faster after a cold start or in the warm-up phase.
An dem Knotenpunkt, an welchem die erste Bypassleitung von der Abgasleitung abzweigt, ist ein Ventil angeordnet, das in der Warmlaufphase die Abgasleitung zu der ersten Turbine versperrt und die erste Bypassleitung freigibt, so dass der gesamte Abgasstrom an der größeren ersten Turbine vorbei geführt wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen, bei denen das Ventil in der Bypassleitung selbst angeordnet ist und bei geöffnetem Ventil weiter Abgas in die Turbine der Niederdruckstufe strömen kann. Zwar bildet die Turbine der Niederdruckstufe auch dann einen gewissen Strömungswiderstand. Nichtsdestotrotz strömt ein Teil des Abgasstroms durch die größere erste Turbine. Dieser Teilstrom ist aber bei den hier betrachteten Betriebsmodi prozentual ein nicht unerheblicher Teil des Gesamtabgasstroms, der dann dem Abgasnachbehandlungssystem nach einem Kaltstart nicht direkt zur Aufheizung zur Verfügung steht. At the node at which the first bypass line branches off from the exhaust line, a valve is arranged, which blocks the exhaust line to the first turbine and releases the first bypass line in the warm-up phase, so that the entire exhaust gas flow is guided past the larger first turbine. This is a significant advantage compared to conventional embodiments in which the valve is arranged in the bypass line itself and, with the valve open, further exhaust gas can flow into the turbine of the low-pressure stage. Although the turbine of the low-pressure stage forms a certain flow resistance even then. Nonetheless, part of the exhaust flow passes through the larger first turbine. However, this partial flow is a not inconsiderable percentage of the total exhaust gas flow in the operating modes considered here, which is then not directly available to the exhaust aftertreatment system after a cold start for heating.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der nach einem Kaltstart hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können und gleichzeitig eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme realisiert werden kann. With the internal combustion engine according to the invention, the first object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with the high charge pressures can be provided after a cold start and at the same time a rapid heating of the exhaust aftertreatment systems can be realized.
Das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein. The at least one exhaust aftertreatment system may be an oxidation catalyst, a three-way catalyst, a storage catalyst, a selective catalyst, and / or a particulate filter.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert. Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am Knotenpunkt ein 3-2-Wege-Ventil ist. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the valve at the junction is a 3-2-way valve.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am Knotenpunkt eine verschwenkbare Klappe ist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the valve at the junction is a pivotable flap are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe ausgehend von einer versperrten ersten Bypassleitung beim Freigeben der ersten Bypassleitung gegen die Abgasströmung verschwenkbar ist. Dann wird die Klappe, falls diese defekt ist, vom Abgasstrom in die Stellung geschwenkt, in der die erste Bypassleitung versperrt ist, und beide Turbinen werden vom Abgas durchströmt. In this connection, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the flap is pivotable against the exhaust gas flow starting from an obstructed first bypass line when the first bypass line is released are advantageous. Then, the flap, if it is defective, pivoted from the exhaust gas flow into the position in which the first bypass line is blocked, and both turbines are flowed through by the exhaust gas.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the valve is electrically, hydraulically, pneumatically, mechanically or magnetically controlled, preferably by means of motor control.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil stufenlos oder in Stufen steuerbar, d. h. schaltbar ist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the valve is infinitely variable or controllable in stages, ie. H. is switchable.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromabwärts der ersten Turbine wieder in die Abgasleitung mündet. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first bypass line downstream of the first turbine opens into the exhaust gas line are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Bypassleitung stromaufwärts der ersten Turbine und stromabwärts der zweiten Turbine wieder in die Abgasleitung mündet. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the second bypass line opens into the exhaust gas line upstream of the first turbine and downstream of the second turbine are advantageous.
Dass die Bypassleitungen wieder in die Abgasleitung münden, hat den Vorteil, dass dann das gesamte Abgas dem in der Abgasleitung vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann. The fact that the bypass lines open again into the exhaust pipe, has the advantage that then the entire exhaust gas can be supplied to the provided in the exhaust pipe exhaust aftertreatment system.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der beiden Turbinen aus der Abgasleitung abzweigt und in die Ansaugleitung mündet, vorzugsweise stromabwärts der Verdichter. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which an exhaust gas recirculation is provided, which comprises a line which branches off upstream of the two turbines from the exhaust pipe and opens into the intake, preferably downstream of the compressor.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei wie folgt:
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich. Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which can be on the order of x EGR ≈ 60% to 70%.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first compressor is designed to be larger than the second compressor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first turbine is designed to be larger than the second turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the second turbine of the second exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry are advantageous.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie muss kein Kompromiß bei der Auslegung der Turbine eingegangen werden, um in sämtlichen Drehzahl- bzw. Lastbereichen eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung zu realisieren. A variable turbine geometry increases the flexibility of charging. It allows a stepless adjustment of the turbine geometry to the respective operating point of the internal combustion engine or to the current exhaust gas mass flow. Unlike a fixed-geometry turbine, there is no need to compromise on turbine design to achieve more or less satisfactory charge in all speed and load ranges.
Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auf sehr kleine Abgasmassenströme und damit auf den unteren Teillastbereich. Folglich können auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. auch bei sehr geringen Abgasmassenströmen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden. In particular, the combination of turbine with variable turbine geometry and a bypass line bypassing this turbine allows the design of the high-pressure turbine to very small exhaust gas mass flows and thus to the lower part load range. Consequently, high turbine pressure ratios can be achieved even at low speeds or even at very low exhaust gas mass flows.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des ersten Verdichters von der Ansaugleitung abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Diese Bypassleitung kann der Ladeluftabblasung dienen und kann stromaufwärts des ersten Verdichters wieder in die Ansaugleitung münden, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Frischluft nicht abgeblasen, sondern lediglich zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Frischluftmenge ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a third bypass line is provided, which branches off from the intake line upstream of the first compressor and in which a shut-off element is arranged, are advantageous. This bypass line can serve the Ladeluftabblasung and can open again upstream of the first compressor in the intake, whereby the fresh air compressed in the first compressor is not blown off, but only returned. For controlling the blown-off or recycled fresh air quantity, a shut-off element is provided in the bypass line.
Diese dritte Bypassleitung kann aber auch zum Ansaugen von Frischluft dienen und zwar in den Fällen, in denen kaum bzw. kein Abgas die erste große Turbine durchströmt und daher die zweite, kleinere Turbine die Verdichterarbeit leistet. Dann stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Frischluft dar. Eine Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des zweiten Verdichters und damit eine Entdrosselung der Ansaugleitung. However, this third bypass line can also serve for the intake of fresh air and in those cases where hardly or no exhaust gas flows through the first large turbine and therefore makes the second, smaller turbine compressor work. Then, the first compressor is only a flow resistance for the fresh air sucked in by the second compressor. A bypass line then permits the bypassing of the second compressor and thus a dethrottling of the intake line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler in der Ansaugleitung angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a charge air cooler is arranged in the intake line downstream of the compressor are advantageous. The intercooler lowers the air temperature and thus increases the density of the charge air, whereby the radiator to a better filling of the combustion chamber with air d. H. contributes to a larger air mass.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mindestens zwei Zylindern, bei der jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern innerhalb des Zylinderkopfes zu mindestens einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. In supercharged internal combustion engines having at least two cylinders, in which each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder and connected to each outlet opening an exhaust pipe, embodiments are advantageous, which are characterized in that the exhaust pipes of at least two cylinders within the Combine cylinder head to at least one total exhaust gas line.
Die Turbinen können dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Abgasenthalpie optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbinen gewährleistet werden kann. The turbines can then very close to the outlet of the internal combustion engine, d. H. be arranged close to the outlet openings of the cylinder. This has the particular advantage that the exhaust enthalpy can be optimally utilized and a fast response of the turbines can be ensured.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Zudem kann auf diese Weise an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen. The integration of the exhaust manifold in the cylinder head further leads to a compact design of the cylinder head and thus the internal combustion engine according to the invention and allows a dense packaging of the entire drive unit. In addition, in this way it is possible to participate in a liquid cooling system, which may be provided in the cylinder head, so that the manifolds do not have to be manufactured from thermally highly stressable and thus cost-intensive materials.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Zylinderkopf, der an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist und mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist, sind Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der mindestens eine integrierte Kühlmittelmantel einen unteren Kühlmittelmantel, der zwischen den Abgasleitungen und der Montage-Stirnseite des Zylinderkopfes angeordnet ist, und einen oberen Kühlmittelmantel, der auf der dem unteren Kühlmittelmantel gegenüberliegenden Seite der Abgasleitungen angeordnet ist, aufweist. In supercharged internal combustion engines with at least one cylinder head, which is connectable to a cylinder block at a mounting end and is equipped with at least one integrated coolant jacket, embodiments are characterized in that the at least one integrated coolant jacket has a lower coolant jacket, which is between the exhaust pipes and the mounting end face of the cylinder head is arranged, and an upper coolant jacket, which is arranged on the opposite side of the lower coolant jacket of the exhaust pipes comprises.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen beabstandet zu den Abgasleitungen in einer Außenwandung des Zylinderkopfes, aus der die mindestens eine Gesamtabgasleitung austritt, mindestens eine Verbindung zwischen dem unteren Kühlmittelmantel und dem oberen Kühlmittelmantel vorgesehen ist, die dem Durchtritt von Kühlmittel dient, wobei die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen zur Gesamtabgasleitung zusammenführen. In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which at least one connection between the lower coolant jacket and the upper coolant jacket, which serves for the passage of coolant, is provided at a distance to the exhaust lines in an outer wall of the cylinder head from which the at least one exhaust gas line exits wherein the at least one connection is arranged adjacent to the region in which the exhaust gas lines merge to the total exhaust gas line.
Über die mindestens eine Verbindung in der Außenwandung des Zylinderkopfes kann Kühlmittel aus dem unteren Kühlmittelmantel in den oberen Kühlmittelmantel strömen und umgekehrt. Damit ist im Zylinderkopf mindestens eine Verbindung auf der den mindestens zwei Zylindern abgewandten Seite des integrierten Abgaskrümmers angeordnet. Die mindestens eine Verbindung liegt somit gewissermaßen außerhalb des integrierten Abgaskrümmers. Coolant can flow out of the lower coolant jacket into the upper coolant jacket via the at least one connection in the outer wall of the cylinder head, and vice versa. This is arranged in the cylinder head at least one compound on the side facing away from the at least two cylinders of the integrated exhaust manifold. The at least one connection is thus so to speak outside the integrated exhaust manifold.
Bei der Verbindung handelt es sich vorliegend um einen Durchbruch bzw. Durchflusskanal, der den unteren Kühlmittelmantel mit dem oberen Kühlmittelmantel verbindet und durch den ein Austausch von Kühlmittel zwischen den beiden Kühlmittelmänteln ermöglicht und realisiert wird. In the present case, the connection is a breakthrough or flow channel which connects the lower coolant jacket to the upper coolant jacket and enables and realizes an exchange of coolant between the two coolant jackets.
Zum einen findet hierdurch grundsätzlich eine Kühlung auch im Bereich der Außenwandung des Zylinderkopfes statt, auf die nach dem Stand der Technik bewusst zur Realisierung einer kompakten Bauweise verzichtet wird. Zum anderen wird die herkömmliche Längsströmung des Kühlmittels, d. h. der Kühlmittelstrom in Richtung der Längsachse des Zylinderkopfes ergänzt durch eine Kühlmittelquerströmung, die quer zur Längsströmung und vorzugsweise in etwa in Richtung der Zylinderlängsachsen verläuft. Dabei trägt die durch die mindestens eine Verbindung hindurchgeführte Kühlmittelströmung maßgeblich zur Wärmeabfuhr bei. Insbesondere kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Querschnitts der mindestens einen Verbindung gezielt Einfluss genommen werden auf die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Verbindung und damit auf die Wärmeabfuhr im Bereich dieser mindestens einen Verbindung. On the one hand, cooling takes place in principle also in the area of the outer wall of the cylinder head, which according to the state of the art is consciously dispensed with in order to realize a compact design. On the other hand, the conventional longitudinal flow of the coolant, d. H. the coolant flow in the direction of the longitudinal axis of the cylinder head is supplemented by a coolant transverse flow which runs transversely to the longitudinal flow and preferably approximately in the direction of the cylinder longitudinal axes. The coolant flow passed through the at least one connection contributes significantly to the heat dissipation. In particular, a suitable dimensioning of the cross section of the at least one connection can specifically influence the flow velocity of the coolant in the connection and thus the heat dissipation in the region of this at least one connection.
Vorteilhaft sind daher auch insbesondere Ausführungsformen des Zylinderkopfes, bei denen der untere und der obere Kühlmittelmantel nicht über den gesamten Bereich der Außenwandung miteinander verbunden sind, sondern sich die mindestens eine Verbindung nur über einen Teilbereich der Außenwandung erstreckt. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung gesteigert werden, was den Wärmeübergang durch Konvektion erhöht. Vorteile bietet dies auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit des Zylinderkopfes. Particularly advantageous embodiments of the cylinder head, in which the lower and the upper coolant jacket are not connected to each other over the entire area of the outer wall, but also the at least one connection extends only over a portion of the outer wall in particular. As a result, the flow velocity in the at least one connection can be increased, which increases the heat transfer by convection. This also offers advantages in terms of the mechanical strength of the cylinder head.
Die Kühlung des Zylinderkopfes kann zusätzlich und vorteilhafterweise dadurch verbessert werden, dass zwischen dem oberen und unteren Kühlmittelmantel ein Druckgefälle generiert wird, wodurch wiederum die Geschwindigkeit in der mindestens einen Verbindung erhöht wird, was zu einem erhöhten Wärmeübergang infolge Konvektion führt. The cooling of the cylinder head can additionally and advantageously be improved by generating a pressure gradient between the upper and lower coolant jacket, which in turn increases the speed in the at least one connection, which leads to increased heat transfer due to convection.
Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Verbindung benachbart zu dem Bereich angeordnet, in dem die Abgasleitungen zu der Gesamtabgasleitung zusammenführen. According to the invention, the at least one connection is arranged adjacent to the region in which the exhaust gas lines merge to form the overall exhaust gas line.
In dem Bereich, in dem die Abgasleitungen in eine gemeinsame Gesamtabgasleitung münden und das heiße Abgas der Zylinder der Brennkraftmaschine gesammelt wird, ist der Zylinderkopf thermisch besonders hoch belastet. In the area in which the exhaust pipes open into a common exhaust gas line and the hot exhaust gas of the cylinder of the internal combustion engine is collected, the cylinder head is thermally particularly high load.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des zweiten Verdichters von der Ansaugleitung abzweigt und stromabwärts dieses zweiten Verdichters wieder in die Ansaugleitung mündet, wobei in dieser Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist. Diese Bypassleitung gestattet die Umgehung des Hochdruckverdichters. Dies ermöglicht die Abstimmung des durch den Hochdruckverdichter geführten Frischluftmassenstromes auf den durch die Hochdruckturbine geführten Abgasmassenstrom und damit an die zur Verfügung stehende Turbinenleistung. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a bypass line is provided, which branches off from the intake line upstream of the second compressor and opens again into the intake line downstream of this second compressor, wherein a shut-off element is arranged in this bypass line. This bypass line allows the bypass of the high pressure compressor. This allows the tuning of the guided by the high pressure compressor fresh air mass flow to the guided through the high-pressure turbine exhaust gas mass flow and thus to the available turbine power.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine d. h. die Turbine der Niederdruckstufe eine variable Turbinengeometrie aufweist. Das weiter oben für die Turbine der Hochdruckstufe Gesagte hat ebenso Gültigkeit für die Niederdruckturbine, weshalb auf diese Ausführungen Bezug genommen wird. Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet durch Verstellen der Schaufeln eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den momentanen Abgasmassenstrom. Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first turbine d. H. the turbine of the low-pressure stage has a variable turbine geometry. The above for the turbine of the high-pressure stage has also valid for the low-pressure turbine, which is why reference is made to these statements. A variable turbine geometry increases the flexibility of charging. It allows by adjusting the blades a stepless adjustment of the turbine geometry to the current exhaust gas mass flow.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine eine feste, nicht veränderbare Turbinengeometrie aufweist. Diese Ausführungsform hat insbesondere Kostenvorteile. Einerseits entfällt bei dieser Turbinenbauweise die komplexe und kostenintensive Verstellmechanik. Andererseits ist prinzipbedingt keine Steuerung der Turbine notwendig. However, embodiments of the internal combustion engine in which the first turbine has a fixed, unchangeable turbine geometry are also advantageous. This embodiment has particular cost advantages. On the one hand eliminates the complex and costly adjustment mechanism in this turbine design. On the other hand, in principle no control of the turbine is necessary.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist. Verdichter mit fester Geometrie weisen aus denselben Gründen wie Turbinen mit fester Geometrie, nämlich aufgrund der einfacheren Bauweise, Kostenvorteile auf. However, embodiments of the internal combustion engine in which the first compressor has a fixed, unchangeable compressor geometry are also advantageous. Solid geometry compressors have cost advantages for the same reasons as fixed geometry turbines, due to their simpler construction.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter eine variable Verdichtergeometrie (VVG) aufweist. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie des ersten Verdichters insbesondere in den Betriebszuständen, in denen kaum Abgas durch die erste, größere Turbine strömt und daher kaum Leistung von der ersten Turbine zur Verdichtung der Frischluft bereitgestellt wird. In diesen Fällen stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Frischluft dar. Eine variable Verdichtergeometrie gestattet dann die Entdrosselung der Ansaugleitung durch Vergrößerung des Strömungsquerschnittes des ersten Verdichters. However, embodiments of the internal combustion engine in which the first compressor has a variable compressor geometry (VVG) are also advantageous. Advantages of the variable compressor geometry of the first compressor, especially in the operating conditions in which hardly any exhaust gas flows through the first, larger turbine and therefore little power from the first turbine to Compression of the fresh air is provided. In these cases, the first compressor only represents a flow resistance for the fresh air sucked in by the second compressor. A variable compressor geometry then allows the intake line to be de-throttled by increasing the flow cross-section of the first compressor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen. Embodiments of the internal combustion engine in which the line for exhaust gas recirculation flows downstream of the charge air cooler into the intake line are advantageous. In this way, the exhaust gas flow is not passed through the intercooler and consequently can not pollute this radiator by deposits of pollutants contained in the exhaust stream, in particular soot particles and oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch beiträgt. Embodiments of the internal combustion engine in which an additional cooler is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust gas flow and thus increases the density of the exhaust gases. The temperature of the fresh cylinder charge, which occurs during the mixing of the fresh air with the recirculated exhaust gases, is consequently further reduced, whereby the additional cooler contributes to a better filling of the combustion chamber with fresh mixture.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate. Embodiments of the internal combustion engine in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Warmlaufphase die erste Bypassleitung freigegeben und der Abgasstrom via Abgasleitung zur ersten Turbine unterbunden wird. The second sub-task on which the invention is based is achieved by a method which is characterized in that in the warm-up phase the first bypass line is released and the exhaust gas flow via the exhaust line to the first turbine is prevented.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren. The comments made in connection with the internal combustion engine according to the invention also apply to the inventive method.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß
Die Brennkraftmaschine
Aus diesem Grund ist der erste Verdichter
Aus demselben Grund ist die erste Turbine
Stromabwärts der Verdichter
Die zweite Turbine
Bei der in
Stromabwärts der Turbinen
Der erste Verdichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- aufgeladene Brennkraftmaschine charged internal combustion engine
- 2 2
- Ansaugleitung suction
- 3 3
- Zylinder cylinder
- 4 4
- Abgasleitung, Gesamtabgasleitung Exhaust pipe, total exhaust pipe
- 5 5
- Ladeluftkühler Intercooler
- 6 6
- erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe first exhaust gas turbocharger, low-pressure stage
- 6a 6a
- erste Turbine first turbine
- 6b 6b
- erster Verdichter first compressor
- 7 7
- zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe second turbocharger, high-pressure stage
- 7a 7a
- zweite Turbine second turbine
- 7b 7b
- zweiter Verdichter second compressor
- 8 8th
- Knotenpunkt junction
- 9 9
- Ventil, 2-3-Wege-Ventil Valve, 2-3 way valve
- 10 10
- dritte Bypassleitung third bypass line
- 11 11
- Absperrelement shut-off
- 12 12
- zweite Bypassleitung second bypass line
- 13 13
- Absperrelement shut-off
- 14 14
- erste Bypassleitung first bypass line
- 15 15
- Abgasnachbehandlungssystem aftertreatment system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1396619 A1 [0020, 0020, 0020, 0021] EP 1396619 A1 [0020, 0020, 0020, 0021]
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