DE102014208703A1 - Exhaust-driven turbocharged internal combustion engine with at least two turbines and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents

Exhaust-driven turbocharged internal combustion engine with at least two turbines and method for operating such an internal combustion engine Download PDF

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Jörg Kemmerling
Vanco Smiljanovski
Franz Arnd Sommerhoff
Franz J. Brinkmann
Frank Kraemer
Werner Willems
Carsten Weber
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Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei Zylindern (3), bei der – jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4a, 4b), von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) anschließt, – mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (8, 9) eine Turbine (8a, 9a) umfasst, und – die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung (5a) einer zuschaltbaren Auslassöffnung (4a) jedes Zylinders (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) in eine erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, welche mit der Turbine (8a) eines ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) eines zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, wobei – mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (3) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (3) einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (1) in Betrieb befindlicher Zylinder (3) ist und der mindestens eine Zylinder (3) einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (3) ausgebildet ist, und – sämtliche Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen (4a) ausgebildet sind.Supercharged internal combustion engine (1) with at least one cylinder head (2) with at least two cylinders (3), in which - each cylinder (3) has at least two outlet openings (4a, 4b), of which at least one outlet opening (4a) which can be connected is formed, wherein an exhaust gas line (5a, 5b) adjoins each outlet opening (4a, 4b), - at least two exhaust gas turbochargers (8, 9) are provided, each exhaust gas turbocharger (8, 9) comprising a turbine (8a, 9a), and the exhaust pipes (5a, 5b) of the at least two cylinders (3) are configured in such a way that the exhaust pipe (5a) of a switchable outlet opening (4a) of each cylinder (3) is formed into a first exhaust gas pipe (6a) 7a), which is connected to the turbine (8a) of a first exhaust gas turbocharger (8), and the exhaust pipes (5b) of the other outlet openings (4b) of the at least two cylinders (3) to form a second exhaust manifold (6b) to a second G 7), which is connected to the turbine (9a) of a second exhaust gas turbocharger (9), wherein - at least two cylinders (3) are configured in such a way that they form at least two cylinder groups, each with at least one cylinder (3) wherein the at least one cylinder (3) of a first cylinder group is a cylinder (3) which is also in operation when the internal combustion engine (1) is partially deactivated and the at least one cylinder (3) of a second cylinder group is designed as a load-dependent switchable cylinder (3), and - all outlet openings (4a) of the at least one cylinder (3) of the second cylinder group are designed as switchable outlet openings (4a).

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

  • – jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
  • – mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, und
  • – die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.
The invention relates to a supercharged internal combustion engine having at least one cylinder head with at least two cylinders, in which
  • Each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases, of which at least one is designed as a switchable outlet opening, wherein an exhaust pipe for discharging the exhaust gases via exhaust gas discharge system adjoins each outlet opening,
  • - At least two exhaust gas turbochargers are provided, each exhaust gas turbocharger comprises a turbine arranged in the Abgasabführsystem, and
  • The exhaust pipes of the at least two cylinders are configured in such a way that the exhaust pipe of a switchable exhaust port of each cylinder opens into a first exhaust gas line, which is connected to the turbine of a first exhaust gas turbocharger, forming the first exhaust manifold, and the exhaust pipes of the other exhaust ports are at least two cylinders merge to form a second exhaust manifold to form a second exhaust manifold, which is connected to the turbine of a second exhaust gas turbocharger.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie 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.In the context of the present invention, the term internal combustion engine comprises gasoline engines, but also diesel engines and hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, as well as hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric machine 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.

Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder an einer Montage-Stirnseite miteinander verbunden werden. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Hubventilen – und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Häufig dient der Zylinderkopf zur Aufnahme des Ventiltriebs.Internal combustion engines have a cylinder block and at least one cylinder head, which are connected together to form the cylinder on a mounting end face. In order to control the charge cycle, an internal combustion engine requires control devices - usually in the form of globe valves - and actuators to operate these controls. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train. Often, the cylinder head serves to accommodate the valve train.

Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der Zylinder und das Füllen mit Ladeluft über die Einlassöffnungen. Es ist die Aufgabe des Ventiltriebes die Einlass- und Auslassöffnungen rechtzeitig freizugeben bzw. zu schliessen, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Nach dem Stand der Technik werden die Zylinder daher auch häufig mit zwei oder mehr Einlass- bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Auch die mindestens zwei Zylinder der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, sind mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet.As part of the change of charge, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings of the cylinder and the filling with charge air via the inlet openings takes place. It is the task of the valve drive to enable or close the inlet and outlet openings in good time, with the aim of rapidly releasing as large flow cross sections as possible in order to keep the throttling losses in the inflowing and outflowing gas flows low, and to achieve as good a filling as possible effective, d. H. To ensure complete removal of the exhaust gases. Therefore, according to the prior art, the cylinders are often equipped with two or more inlet and outlet ports. Also, the at least two cylinders of the internal combustion engine, which is the subject of the present invention, are equipped with at least two outlet openings.

Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert. Die Abgasleitungen der Zylinder werden in der Regel zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber – wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine – gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.The exhaust pipes, which adjoin the outlet openings are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art. The exhaust pipes of the cylinders are usually combined to form a common exhaust gas line or - as in the internal combustion engine according to the invention - in groups to two or more total exhaust gas lines. The combination of exhaust pipes to an overall exhaust line is generally and in the context of the present invention referred to as exhaust manifold.

Stromabwärts der Krümmer werden die Abgase vorliegend zwecks Aufladung der Brennkraftmaschine den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt. Die Vorteile eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen 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. Ein im Abgasabführsystem angeordneter Abgasturbolader führt aber zu einem erhöhten Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine, wodurch der Ladungswechsel nachteilig beeinflusst werden kann.Downstream of the manifold, the exhaust gases are in this case supplied to the turbines of at least two exhaust gas turbochargers for charging the internal combustion engine. The advantages of an exhaust gas turbocharger, for example compared to a mechanical supercharger, are 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. However, an exhaust gas turbocharger disposed in the exhaust system leads to an increased exhaust back pressure upstream of the turbine, whereby the charge exchange can be adversely affected.

Ein Abgasturbolader umfasst einen Verdichter und eine Turbine, die auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine des Laders zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine. Dadurch wird die Welle in Drehung versetzt. 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 mindestens zwei Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. An exhaust gas turbocharger includes a compressor and a turbine disposed on the same shaft. The hot exhaust gas flow is fed to the turbocharger of the supercharger and relaxes with energy release in this turbine. This will set the shaft in rotation. 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 charging of the at least two cylinders is achieved. Optionally, a charge air cooling is provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder.

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. 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. 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. 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.

Die Auslegung der Abgasturboladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. 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.The design of the exhaust gas turbocharger often causes difficulties, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. In the prior art, however, a strong torque drop is observed when falling below a certain speed. 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, the boost pressure ratio also decreases, which is equivalent to a torque drop.

Grundsätzlich könnte dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen, d. h. großen Abgasmengen, uneingeschränkt möglich sein soll.In principle, the drop in charge pressure could be counteracted by reducing the size of the turbine cross-section and the associated increase in the turbine pressure ratio. Thus, the torque drop is only shifted to lower speeds. In addition, this approach, d. H. the reduction of the turbine cross-section limits, since the desired charging and power increase even at high speeds, d. H. large amounts of exhaust gas, should be possible without restriction.

Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine is tried to improve in the prior art by various measures.

Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine by means of a bypass line as part of the so-called exhaust gas blow-off. This approach has the disadvantage that the charging behavior at higher speeds or larger amounts of exhaust gas is insufficient.

Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Drehzahl bzw. steigender Abgasmenge gemäß der sogenannten Registeraufladung Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further characterized by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines with a smaller turbine cross-section, with successively increasing speed or increasing amount of exhaust gas according to the so-called register turbines are switched on successively.

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei parallel angeordneten Turbinen ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine Turbine, nämlich die Turbine eines ersten Abgasturboladers, ist dabei als zuschaltbare Turbine ausgebildet, welche bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt werden kann, d. h. aktiviert werden kann.A supercharged internal combustion engine with at least two turbines arranged in parallel is also an object of the present invention. A turbine, namely the turbine of a first exhaust gas turbocharger, is designed as a switchable turbine, which can be acted upon at higher speeds or larger amounts of exhaust gas, d. H. can be activated.

Um diese erste schaltbare Turbine deaktivieren bzw. aktivieren, d. h. schalten zu können, muss eine Schalteinrichtung vorgesehen werden. Vorliegend übernimmt der Ventiltrieb die Funktion einer Schalteinrichtung. Erfindungsgemäß wird hierzu jeder Zylinder mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist. Die Abgasleitungen der Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist.To disable or enable this first switchable turbine, d. H. To be able to switch, a switching device must be provided. In the present case, the valve drive assumes the function of a switching device. According to the invention, for this purpose, each cylinder is equipped with at least two outlet openings, of which at least one is designed as a switchable outlet opening. The exhaust gas lines of the cylinders are configured in such a way that the exhaust pipe of a switchable outlet opening of each cylinder opens into a first exhaust gas line, which is connected to the turbine of the first exhaust gas turbocharger, forming the first exhaust gas manifold, and the exhaust pipes of the other outlet openings of the cylinders are formed a second exhaust manifold merge to form a second exhaust line, which is connected to the turbine of a second exhaust gas turbocharger.

Ein Abschalten der zuschaltbaren Auslassöffnungen, deren Abgasleitungen unter Ausbildung des ersten Abgaskrümmers zu der ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, schneidet die Turbine des ersten Abgasturboladers von der Abgasversorgung ab, wodurch diese Turbine abgeschaltet wird. Nur bei größeren Abgasmengen bzw. höheren Drehzahlen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels geöffnet und dadurch die schaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.Switching off the switchable outlet openings, whose exhaust lines merge to form the first exhaust manifold to the first overall exhaust line, cuts off the turbine of the first exhaust gas turbocharger from the exhaust gas supply, whereby this turbine is turned off. Only with larger amounts of exhaust gas or higher speeds, the switchable outlet openings are opened as part of the change of charge, thereby activating the switchable turbine, d. H. Exhaust gas is applied.

Damit kann die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine deutlich verbessert werden, insbesondere das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, d. h. kleinen Abgasmengen spürbar angehoben werden.Thus, the torque characteristic of the internal combustion engine can be significantly improved, in particular the torque at low speeds, d. H. Small amounts of exhaust gas are noticeably raised.

Dass die Schalteinrichtung erfindungsgemäß vom Ventiltrieb mit ausgebildet wird und nicht im Abgasabführsystem bzw. in der ersten Turbine selbst angeordnet ist, hat den wesentlichen Vorteil, dass diese Schalteinrichtung – das jeweilige Auslassventil ausgenommen – thermisch nicht hoch beansprucht wird. Eine Funktionsstörung oder Leckage der Schalteinrichtung ist daher nicht zu befürchten. Die Lebenserwartung der Schalteinrichtung steigt. Zudem ist ein Ventiltrieb zur Durchführung des Ladungswechsels bereits vorhanden, so dass keine zusätzliche Schalteinrichtung vorgesehen werden muss. Der bereits vorhandene Ventiltrieb muss lediglich schaltbar bzw. variabel ausgeführt werden. The fact that the switching device according to the invention is formed by the valve train and is not arranged in Abgasabführsystem or in the first turbine itself, has the significant advantage that this switching device - the respective exhaust valve excluded - is not highly stressed thermally. A malfunction or leakage of the switching device is therefore not to be feared. The life expectancy of the switching device increases. In addition, a valve drive for carrying out the charge exchange already exists, so that no additional switching device must be provided. The existing valve train must only be made switchable or variable.

Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens verbessert ist.In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1 which is improved in performance.

Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.

Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, bei der

  • – jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
  • – mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, und
  • – die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung jedes Zylinders unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers in eine erste Gesamtabgasleitung mündet, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
  • – mindestens zwei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
  • – sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind.
The first sub-task is solved by a supercharged internal combustion engine having at least one cylinder head with at least two cylinders, in which
  • Each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases, of which at least one is designed as a switchable outlet opening, wherein an exhaust pipe for discharging the exhaust gases via exhaust gas discharge system adjoins each outlet opening,
  • - At least two exhaust gas turbochargers are provided, each exhaust gas turbocharger comprises a turbine arranged in the Abgasabführsystem, and
  • The exhaust pipes of the at least two cylinders are configured in such a way that the exhaust pipe of a switchable exhaust port of each cylinder opens into a first exhaust gas line, which is connected to the turbine of a first exhaust gas turbocharger, forming the first exhaust manifold, and the exhaust pipes of the other exhaust ports are at least two cylinders merge to form a second exhaust manifold to form a second exhaust manifold, which is connected to the turbine of a second exhaust gas turbocharger, and which is characterized in that
  • - At least two cylinders are configured in such a way that they form at least two cylinder groups, each having at least one cylinder, wherein the at least one cylinder of a first cylinder group is also in partial shutdown of the internal combustion engine in operation cylinder and the at least one cylinder of a second cylinder group as load-dependent switchable cylinder is formed, and
  • - All outlet openings of the at least one cylinder of the second cylinder group are formed as switchable outlet openings.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt nicht nur über parallel angeordnete Turbinen, welche das Drehmomentangebot insbesondere im unteren Drehzahlbereich durch sukzessives Schalten spürbar verbessern, sondern darüber hinaus auch über eine sogenannte Teilabschaltung.The internal combustion engine according to the invention not only has turbines arranged in parallel, which noticeably improve the torque supply, in particular in the lower rpm range, by successive shifting, but moreover also via a so-called partial deactivation.

Ein Lösungsansatz zur Erhöhung des Wirkungsgrades, d. h. zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.A solution to increase the efficiency, d. H. to reduce fuel consumption, the cylinder deactivation, d. H. the shutdown of individual cylinders in certain load ranges.

Der Wirkungsgrad eines Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine solche Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.The efficiency of a gasoline engine in partial load operation can be improved by such a partial shutdown, d. H. be increased, because the shutdown of a cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine increases the load of the remaining still in operation cylinder at constant engine power, so that the throttle for introducing a larger air mass in these cylinders can be opened or must, resulting in a total Entdrosselung the internal combustion engine is achieved. The continuously operating cylinders operate during partial shutdown in the area of higher loads, where the specific fuel consumption is lower. The load collective is shifted to higher loads.

Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf und tolerieren höhere Abgasrückführraten.The further operated during the partial shutdown cylinder also have due to the larger air mass supplied or mixture mass improved mixture formation and tolerate higher exhaust gas recirculation rates.

Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder infolge der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.Further efficiency advantages result from the fact that a deactivated cylinder as a result of the lack of combustion no wall heat losses generated as a result of heat transfer from the combustion gases to the combustion chamber walls.

Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbauchs bzw. Wirkungsgrades.Although diesel engines, d. H. self-igniting internal combustion engines, due to the applied quality control higher efficiency, d. H. have a lower fuel consumption than gasoline engines, in which the load is set by throttling or quantity control on the filling of the cylinder, there is room for improvement in diesel engines and improvement in fuel consumption and efficiency.

Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.A concept for reducing fuel consumption is also the case with diesel engines Cylinder shutdown, ie the shutdown of individual cylinders in certain load ranges. The efficiency of the diesel engine in part-load operation can be improved by a partial shutdown, ie increased, because the shutdown of at least one cylinder of a multi-cylinder internal combustion engine increases at constant engine power even in the diesel engine, the load of the remaining still in operation cylinder, so that these cylinders in areas higher Working loads where the specific fuel consumption is lower. The load collective in part-load operation of the diesel engine is shifted to higher loads.

Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.With regard to the wall heat losses, the same advantages result as in the gasoline engine, for which reason reference is made to the corresponding explanations.

Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.The partial shutdown in diesel engines should also prevent the fuel-air mixture under the quality scheme with decreasing load by reducing the amount of fuel used too much.

Zur Realisierung einer Teilabschaltung sind die mindestens zwei Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in der Art konfiguriert, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Der mindestens eine Zylinder einer ersten Zylindergruppe ist ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Zylindergruppe ist als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet.To realize a partial shutdown, the at least two cylinders of the internal combustion engine according to the invention are configured in such a way that they form at least two cylinder groups, each with at least one cylinder. The at least one cylinder of a first cylinder group is a cylinder which is also in operation when the internal combustion engine is partially switched off, and the at least one cylinder of a second cylinder group is designed as a load-dependent switchable cylinder.

Darüber hinaus sind sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet, so dass die zweite Zylindergruppe bei Teilabschaltung vollständig vom Abgasabführsystem abgetrennt werden kann, d. h. nicht in das Abgasabführsystem hinein fördert.In addition, all the outlet openings of the at least one cylinder of the second cylinder group are designed as switchable outlet openings, so that the second cylinder group can be completely separated from the exhaust-gas removal system during partial shut-off, i. H. does not feed into the exhaust system.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht neben dem Betriebsmodus der Teilabschaltung einen zweiten Betriebsmodus, in welchem die Turbine des zweiten Abgasturboladers von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine des ersten Abgasturboladers deaktiviert ist, wozu die zuschaltbaren Auslassöffnungen der Zylinder, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden, deaktiviert werden. In einen dritten Betriebsmodus werden dann beide Turbinen der mindestens zwei Abgasturbolader von den Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt. Hierzu werden sämtliche zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert und betätigt.The internal combustion engine according to the invention allows in addition to the operating mode of the partial shutdown a second operating mode in which the turbine of the second exhaust gas turbocharger is acted upon by the at least two cylinders of the internal combustion engine with exhaust and the turbine of the first exhaust gas turbocharger is deactivated, including the switchable outlet openings of the cylinder whose exhaust pipes in the first exhaust gas line open, be deactivated. In a third operating mode then both turbines of the at least two exhaust gas turbochargers are acted upon by the cylinders of the internal combustion engine with exhaust gas. For this purpose, all switchable outlet openings are activated and actuated.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht damit sowohl die Verbesserung der Drehmomentcharakteristik, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, als auch einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch.The internal combustion engine according to the invention thus enables both the improvement of the torque characteristic, in particular at low speeds, as well as a higher efficiency, d. H. a lower fuel consumption.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens verbessert ist.The internal combustion engine according to the invention solves the first object underlying the invention, namely to provide a supercharged internal combustion engine which is improved in terms of its operating behavior.

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 Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe nur eine zuschaltbare Auslassöffnung aufweist, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet. Diese Ausführungsform erfüllt die Mindestanforderungen, die an die erste Zylindergruppe und ihre Auslassöffnungen zu stellen sind, damit die erste Turbine abgeschaltet werden kann. Hierzu müssen nämlich die Zylinder der ersten Zylindergruppe mindestens eine zuschaltbare Auslassöffnung aufweisen, wobei es sich um die Auslassöffnungen handelt bzw. handeln muss, deren Abgasleitungen in die erste Gesamtabgasleitung münden.Embodiments of the internal combustion engine in which the at least one cylinder of the first cylinder group has only one connectable outlet opening, the exhaust line of which opens into the first overall exhaust gas line, are advantageous. This embodiment satisfies the minimum requirements to be imposed on the first cylinder group and its outlet ports to shut off the first turbine. For this purpose, namely, the cylinders of the first cylinder group must have at least one switchable outlet opening, which is or must be the outlet openings whose exhaust gas lines open into the first overall exhaust gas line.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen sämtliche Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen ausgebildet sind. Diese Ausführungsform trägt dem Umstand Rechnung, dass die Zylinder der ersten Zylindergruppe auch ausschließlich mit zuschaltbaren Auslassöffnungen ausgestattet werden können und dies insbesondere der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht entgegen steht, auch wenn dieses Ausstattungsmerkmal über die Mindestanforderungen hinausgeht.Embodiments of the internal combustion engine in which all outlet openings of the at least one cylinder of the first cylinder group are designed as switchable outlet openings are also advantageous. This embodiment takes into account the fact that the cylinders of the first cylinder group can also be equipped exclusively with switchable outlet openings and this in particular does not preclude the application of the method according to the invention, even if this feature exceeds the minimum requirements.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes zu Gesamtabgasleitungen zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust pipes of the at least two cylinders merge within the cylinder head to form total exhaust gas lines are advantageous.

Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf verringert die Masse und die Länge der Abgasabführsysteme von den Auslassöffnungen bis hin zu den Turbinen und den Abgasnachbehandlungssystemen. Dadurch lässt sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbolader gewährleisten. Zudem erreichen stromabwärts angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme schnell ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit. Gegebenenfalls kann an einer im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, in der Weise, dass die Krümmer nicht aus hochtemperaturfesten Werkstoffen gefertigt werden müssen. The Integration of the exhaust manifolds into the cylinder head reduces the mass and length of the exhaust evacuation systems from the exhaust ports to the turbines and exhaust after-treatment systems. As a result, the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases can be optimally utilized and ensure a quick response of the turbocharger. In addition, downstream exhaust aftertreatment systems rapidly reach their operating temperature or light-off temperature, in particular after a cold start of the internal combustion engine. The integration of the exhaust manifold in the cylinder head also allows the densest possible packaging of the drive unit. Optionally, it can be attended to provided in the cylinder head liquid cooling, in such a way that the manifold does not have to be made of high temperature resistant materials.

Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern, bei der der mindestens eine Zylinderkopf an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass eine Gesamtabgasleitung auf der von der Montage-Stirnseite abgewandten Seite einer anderen Gesamtabgasleitung angeordnet ist.In a supercharged internal combustion engine having at least two cylinders arranged in series along a longitudinal axis of the cylinder head, in which the at least one cylinder head can be connected to a cylinder block at a mounting end face, embodiments are advantageous, which are characterized in that an overall exhaust gas line on that of the assembly Front side facing away from another total exhaust line is arranged.

Gemäß der vorstehenden Ausführungsform liegen die beiden Abgaskrümmer zumindest teilweise übereinander, d. h. in Richtung einer Zylinderlängsachse beabstandet zueinander, denn die eine Gesamtabgasleitung ist auf der der Montage-Stirnseite abgewandten Seite der anderen Gesamtabgasleitung angeordnet.According to the above embodiment, the two exhaust manifolds are at least partially superimposed, d. H. in the direction of a cylinder longitudinal axis spaced from one another, because the one exhaust line is arranged on the side facing away from the mounting end side of the other total exhaust line.

Sind die mindestens zwei Zylinder entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordnet, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die mindestens zwei Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes versetzt angeordnet sind.If the at least two cylinders are arranged in series along a longitudinal axis of the cylinder head, embodiments of the internal combustion engine are advantageous in which the at least two total exhaust gas lines are offset along the longitudinal axis of the cylinder head to form a distance.

Vorliegend sind die Gesamtabgasleitungen entlang der Längsachse des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines Abstandes ∆ versetzt angeordnet. Der Versatz ermöglicht eine kompakte Bauweise des Zylinderkopfes und sorgt gleichzeitig für einen ausreichend großen Abstand der Gesamtabgasleitungen voneinander. Auf diese Weise verbleibt trotz kompakter Bauweise genügend Bauraum zwischen den Gesamtabgasleitungen im Vergleich zu Ausführungsformen, bei denen die Gesamtabgasleitungen entlang der Zylinderkopflängsachse keinen Versatz aufweisen. Dies erleichtert auch die Anordnung von Kühlmittelkanälen im Zylinderkopf zwischen den beiden Gesamtabgasleitungen, falls eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen werden soll.In the present case, the total exhaust gas lines are arranged offset along the longitudinal axis of the cylinder head to form a distance Δ. The offset allows a compact design of the cylinder head and at the same time ensures a sufficiently large distance of the total exhaust gas lines from each other. In this way, despite a compact design enough space between the exhaust pipes remains compared to embodiments in which the total exhaust pipes along the cylinder head longitudinal axis have no offset. This also facilitates the arrangement of coolant channels in the cylinder head between the two exhaust pipes, if a liquid cooling is to be provided.

Bei aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens vier entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die außenliegenden Zylinder eine Zylindergruppe bilden und die mindestens zwei innenliegenden Zylinder eine andere Zylindergruppe bilden.In a supercharged internal combustion engine having at least four cylinders arranged in series along a longitudinal axis of the cylinder head, embodiments are advantageous which are characterized in that the outer cylinders form a cylinder group and the at least two inner cylinders form a different cylinder group.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitungen stromabwärts der Turbinen zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen.Embodiments of the internal combustion engine in which the overall exhaust gas lines merge downstream of the turbines to form a common exhaust gas line are advantageous.

Dann kann eine gemeinsame Abgasnachbehandlung des gesamten Abgases der mindestens zwei Zylinder stattfinden, nämlich mit einem in der gemeinsamen Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungssystem. Dies können beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide sein.Then, a common exhaust aftertreatment of the entire exhaust gas of the at least two cylinders take place, namely with an arranged in the common exhaust pipe exhaust aftertreatment system. These may be, for example, a particulate filter, an oxidation catalyst and / or an exhaust aftertreatment system for reducing nitrogen oxides.

Alternativ oder zusätzlich kann auch in jeder Gesamtabgasleitung ein Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen werden, gegebenenfalls auch mehrere Abgasnachbehandlungssysteme.Alternatively or additionally, an exhaust aftertreatment system may also be provided in each overall exhaust line, possibly also a plurality of exhaust aftertreatment systems.

Dies ermöglicht eine motornähere Anordnung der Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder. Diese Ausführungsform trägt zudem dem Umstand Rechnung, dass die vorgesehenen Turbinen teils in unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden. So werden die lastabhängig schaltbaren Zylinder in der Regel nur bei höheren Lasten, bei denen das Abgas eine hohe bzw. höhere Temperatur hat, zugeschaltet, wohingegen die auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlichen Zylinder auch mit Abgas des Teillastbetriebs beaufschlagt werden, das eine niedrigere Temperatur aufweist. Unterschiedliche Abgastemperaturen können unterschiedliche Abgasnachbehandlungssysteme erfordern.This allows a closer engine arrangement of the exhaust aftertreatment systems, d. H. close to the outlet openings of the cylinders. This embodiment also takes into account the fact that the proposed turbines are partly operated at different operating points. Thus, the load-dependent switchable cylinder are usually only at higher loads, in which the exhaust gas has a high or higher temperature switched on, whereas the cylinder also in partial shutdown of the engine in operation are also exposed to exhaust gas of the partial load operation, which is a lower Temperature has. Different exhaust gas temperatures may require different exhaust aftertreatment systems.

Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in jeder Gesamtabgasleitung mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem stromabwärts der Turbine angeordnet ist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one exhaust aftertreatment system is arranged downstream of the turbine in each overall exhaust gas line are therefore also advantageous.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser Turbine eine Bypassleitung vom Abgasabführsystem abzweigt und ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen ist.Embodiments of the internal combustion engine in which at least one turbine is designed as a waste-gate turbine are advantageous, wherein upstream of this turbine a bypass line branches off from the exhaust-gas removal system and a shut-off element is provided in the bypass line.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. Dabei sind stromaufwärts des Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.Also advantageous are embodiments of the internal combustion engine, in which at least one turbine has a variable turbine geometry, which allows a high degree of adaptation to the respective operating point by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross section. In this case, upstream of the impeller of the turbine vanes for influencing the flow direction are arranged. In contrast to the blades of the rotating impeller, the vanes do not rotate with the shaft of the turbine, ie the impeller. The vanes are stationary arranged, but not completely immobile, but rotatable about its axis, so that the flow of the blades can be influenced.

Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert. On the other hand, if a turbine has a fixed invariable geometry, the vanes are not only stationary but also completely immovable, i. H. rigidly fixed.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des zweiten Abgasturboladers größer dimensioniert ist als die Turbine des ersten Abgasturboladers. Diese Ausführungsform erweitert den Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine, in welchem der zweite Betriebsmodus anwendbar ist hin zu höheren Drehzahlen.Embodiments of the internal combustion engine in which the turbine of the second exhaust gas turbocharger is dimensioned larger than the turbine of the first exhaust gas turbocharger are advantageous. This embodiment extends the map range of the internal combustion engine in which the second mode of operation is applicable to higher speeds.

Der Zylinderkopf einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist grundsätzlich ein thermisch und mechanisch hoch belastetes Bauteil. Insbesondere bei der Integration der Abgaskrümmer steigt die thermische Belastung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes nochmals, so dass erhöhte Anforderungen an die Kühlung zu stellen sind.The cylinder head of a supercharged internal combustion engine is basically a thermally and mechanically highly loaded component. In particular, in the integration of the exhaust manifold, the thermal load of the internal combustion engine or the cylinder head increases again, so that increased demands are placed on the cooling.

Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen ist.Therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which liquid cooling is provided are advantageous.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Der mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbare Zylinderblock kann ebenfalls mit mindestens einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet sein.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the at least one cylinder head is equipped with at least one integrated coolant jacket are advantageous. The cylinder block which can be connected to the at least one cylinder head can likewise be equipped with at least one integrated coolant jacket.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kühlmittelmantel sich auch zwischen die Gesamtabgasleitungen erstreckt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the at least one coolant jacket also extends between the overall exhaust gas lines are advantageous.

Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die zuschaltbaren Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder in Abhängigkeit von der Last T und der Drehzahl nmot geschaltet werden.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for operating an internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method in which the switchable outlet openings of the at least two cylinders are switched as a function of the load T and the engine speed n mot .

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.

Die Last und/oder die Drehzahl müssen keine Konstanten sein, sondern können vielmehr Funktionen anderer Betriebsparameter sein, beispielsweise der Abgastemperatur, der Zylinderkopftemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur. Insbesondere kann die Drehzahl, bei der geschaltet wird, von der Last und die Last, bei der geschaltet wird, von der Drehzahl abhängig sein bzw. abhängig gemacht werden. The load and / or the speed need not be constants, but may rather be functions of other operating parameters, such as the exhaust gas temperature, the cylinder head temperature and / or the coolant temperature. In particular, the speed at which switching is made by the load and the load at which it is switched may be dependent on the speed.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen in einem ersten Betriebsmodus

  • – der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet wird,
  • – der mindestens eine Zylinder der zweiten Zylindergruppe durch Abschalten der Auslassöffnungen deaktiviert wird, und
  • – die Turbinen der mindestens zwei Abgasturbolader von dem mindestens einen Zylinder der ersten Zylindergruppe mit Abgas versorgt werden, indem zu den Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe gehörende Ventile betätigt werden.
Embodiments of the method are advantageous in which, in a first operating mode
  • - the at least one cylinder of the second cylinder group is turned off,
  • - The at least one cylinder of the second cylinder group is deactivated by switching off the outlet openings, and
  • - The turbines of the at least two exhaust gas turbocharger are supplied from the at least one cylinder of the first cylinder group with exhaust gas by operated to the outlet openings of the at least one cylinder of the first cylinder group associated valves.

Der erste Betriebsmodus betrifft die Teilabschaltung, während der die Zylinder der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet sind. Erfindungsgemäß versorgt der mindestens eine Zylinder der ersten Zylindergruppe dann nicht nur eine Turbine mit Abgas, sondern vielmehr sämtliche bzw. beide Turbinen. Dadurch lässt sich der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem senken, der Ladungswechsel der ersten Zylindergruppe bei Teilabschaltung verbessern und damit der Wirkungsgrad nochmals erhöhen.The first operating mode relates to the partial shutdown during which the cylinders of the second cylinder group are switched off. According to the invention, the at least one cylinder of the first cylinder group then supplies not only a turbine with exhaust gas, but rather all or both turbines. As a result, the exhaust gas back pressure in the exhaust gas removal system can be reduced, the charge cycle of the first cylinder group during partial shutdown can be improved, and thus the efficiency can be further increased.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend vom ersten Betriebsmodus der mindestens eine abgeschaltete Zylinder der zweiten Zylindergruppe zugeschaltet wird, wobei

  • – die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, deaktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die zweite Gesamtabgasleitung mündet, aktiviert wird, falls die Last eine vorgebbare Last übersteigt und die Drehzahl kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl, wodurch die Brennkraftmaschine in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, in welchem die Turbine des zweiten Abgasturboladers von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine des ersten Abgasturboladers deaktiviert ist, oder
  • – die zuschaltbaren Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe aktiviert werden, falls die Last eine vorgebbare Last übersteigt und die Drehzahl größer ist als die vorgebbare Drehzahl, wodurch die Brennkraftmaschine in einen dritten Betriebsmodus überführt wird, in welchem die Turbinen der mindestens zwei Abgasturbolader von den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine mit Abgas beaufschlagt werden.
In this context, embodiments of the method are advantageous in which, starting from the first operating mode, the at least one deactivated cylinder of the second cylinder group is switched on, wherein
  • - The switchable outlet opening of the at least one cylinder of the first cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, is deactivated and the switchable outlet of the at least one cylinder of the second cylinder group, the exhaust pipe opens into the second total exhaust line is activated, if the load is a predetermined Load exceeds and the speed is less than a predetermined speed, whereby the internal combustion engine is converted into a second operating mode in which the turbine of the second exhaust gas turbocharger is acted upon by the at least two cylinders of the internal combustion engine with exhaust gas and the turbine of the first exhaust gas turbocharger is deactivated, or
  • - The switchable outlet openings of the at least one cylinder of the second cylinder group are activated if the load exceeds a predetermined load and the speed is greater than the predetermined speed, whereby the internal combustion engine is transferred to a third operating mode, in which the turbines of the at least two exhaust gas turbocharger The at least two cylinders of the internal combustion engine are subjected to exhaust gas.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend vom zweiten Betriebsmodus,

  • – die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, aktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, aktiviert wird, falls die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl übersteigt, wodurch die Brennkraftmaschine in den dritten Betriebsmodus überführt wird.
Advantageous embodiments of the method are those in which, starting from the second operating mode,
  • - The switchable outlet opening of the at least one cylinder of the first cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, is activated and the switchable outlet of the at least one cylinder of the second cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, if the speed is a predetermined Speed exceeds, whereby the internal combustion engine is transferred to the third operating mode.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ausgehend vom dritten Betriebsmodus,

  • – die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, deaktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, deaktiviert wird, falls die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl unterschreitet, wodurch die Brennkraftmaschine in den zweiten Betriebsmodus überführt wird.
Also advantageous are embodiments of the method in which, starting from the third operating mode,
  • - The switchable outlet opening of the at least one cylinder of the first cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, is deactivated and the switchable outlet of the at least one cylinder of the second cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, if the speed is a predetermined Speed falls below, whereby the internal combustion engine is transferred to the second operating mode.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Brennkraftmaschine in den ersten Betriebsmodus überführt wird, falls die Last eine vorgebbare Last unterschreitet, wobei

  • – ausgehend vom zweiten Betriebsmodus die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die erste Gesamtabgasleitung mündet, aktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung in die zweite Gesamtabgasleitung mündet, deaktiviert wird, oder
  • – ausgehend vom dritten Betriebsmodus die zuschaltbaren Auslassöffnungen des mindestens einen Zylinders der zweiten Zylindergruppe deaktiviert werden.
In this context, embodiments of the method are advantageous in which the internal combustion engine is converted into the first operating mode if the load falls below a predefinable load, wherein
  • Starting the second operating mode, the switchable outlet opening of the at least one cylinder of the first cylinder group, the exhaust pipe opens into the first exhaust line, is activated and the switchable outlet of the at least one cylinder of the second cylinder group, the exhaust pipe opens into the second total exhaust line, or
  • - Starting the third operating mode, the switchable outlet openings of the at least one cylinder of the second cylinder group are deactivated.

Die Abgasmenge korreliert bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine näherungsweise mit der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einer Quantitätsregelung steigt die Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Abgasmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine, so dass zusätzlich der Ladedruck auf der Ansaugseite zu berücksichtigen ist.The amount of exhaust gas correlates with an uncharged internal combustion engine approximately with the speed and / or the load of the internal combustion engine and that depends on the load control used in the individual case. In the case of a quantity control, the exhaust gas quantity also increases at constant speed with increasing load, whereas the exhaust gas quantity in the case of traditional quality controlled diesel engines is only speed-dependent, because with load change and constant speed the mixture composition varies, but not the mixture quantity. The internal combustion engine according to the invention is a supercharged internal combustion engine, so that in addition the charge pressure on the intake side has to be considered.

Obwohl vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Last und die Drehzahl Bezug genommen wird, könnte auch auf die Last und die Abgasmenge und nicht auf die Drehzahl abgestellt werden.Although reference is made in the context of the method according to the invention to the load and the rotational speed, it would also be possible to focus on the load and the exhaust gas quantity and not on the rotational speed.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:In the following the invention is based on an embodiment according to the 1 and 2 described in more detail. Hereby shows:

1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und 1 schematically a first embodiment of the internal combustion engine, and

2 schematisch das Kennfeld der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. 2 schematically the map of the first embodiment of the internal combustion engine.

1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit zwei Abgasturboladern 8, 9 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 8, 9 umfasst eine Turbine 8a, 9a und einen Verdichter 8b, 9b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 8a, 9a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugleitungen 11a, 11b, Ladeluftkühler 10 und Plenum 12 den Zylindern 3 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird. 1 schematically shows a first embodiment of the supercharged internal combustion engine 1 that with two exhaust gas turbochargers 8th . 9 Is provided. Every turbocharger 8th . 9 includes a turbine 8a . 9a and a compressor 8b . 9b , The hot exhaust gas relaxes in the turbines 8a . 9a under energy release. The compressors 8b . 9b compress the charge air via intake pipes 11a . 11b , Intercooler 10 and plenum 12 the cylinders 3 is supplied, whereby a charge of the internal combustion engine 1 is reached.

Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 3 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes 2, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die vier Zylinder 3 sind konfiguriert und bilden zwei Zylindergruppen mit jeweils zwei Zylindern 3, wobei die beiden innenliegenden Zylinder 3 eine zweite Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden, und die beiden außenliegenden Zylinder 3 eine erste Zylindergruppe bilden, deren Zylinder 3 auch bei Teilabschaltung in Betrieb sind.It is a four-cylinder in-line engine 1 in which the four cylinders 3 along the longitudinal axis of the cylinder head 2 , ie arranged in series. The four cylinders 3 are configured and form two cylinder groups with two cylinders each 3 , where the two inner cylinders 3 form a second cylinder group whose cylinder 3 as a load-dependent switchable cylinder 3 are formed, which are turned off in the context of a partial shutdown, and the two outer cylinder 3 form a first cylinder group whose cylinder 3 are also in partial shutdown in operation.

Jeder Zylinder 3 verfügt über zwei Auslassöffnungen 4a, 4b, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließen, wobei sämtliche Auslassöffnungen 4a der beiden innenliegenden Zylinder 3, d. h. die Auslassöffnungen 4a der zweite Zylindergruppe, als zuschaltbare Auslassöffnungen 4a ausgebildet sind und die beiden außenliegenden Zylinder 3, d. h. die erste Zylindergruppe, jeweils nur eine zuschaltbare Auslassöffnung 4a aufweisen.Every cylinder 3 has two outlet openings 4a . 4b to which are exhaust pipes 5a . 5b for discharging the exhaust gases via Abgasabführsystem connect, with all outlet openings 4a the two inner cylinders 3 ie the outlet openings 4a the second cylinder group, as switchable outlet openings 4a are formed and the two outer cylinder 3 ie the first cylinder group, in each case only one connectable outlet opening 4a exhibit.

Die Abgasleitungen 5a, 5b der vier Zylinder 3 sind in der Art konfiguriert, dass die Abgasleitung 5a einer zuschaltbaren Auslassöffnung 4a jedes Zylinders 3 unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers 6a in eine erste Gesamtabgasleitung 7a mündet, welche mit der Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 verbunden ist, und die Abgasleitungen 5a, 5b der anderen Auslassöffnungen 4a, 4b der vier Zylinder 3 unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers 6b zu einer zweiten Gesamtabgasleitung 7b zusammenführen, welche mit der Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 verbunden ist.The exhaust pipes 5a . 5b the four cylinders 3 are configured in the way that the exhaust pipe 5a a switchable outlet opening 4a every cylinder 3 under training of a first exhaust manifold 6a in a first total exhaust line 7a which ends with the turbine 8a of the first exhaust gas turbocharger 8th connected, and the exhaust pipes 5a . 5b the other outlet openings 4a . 4b the four cylinders 3 under formation of a second exhaust manifold 6b to a second total exhaust line 7b merge, which with the turbine 9a the second exhaust gas turbocharger 9 connected is.

Die Abgasleitungen 5a, 5b der Zylinder 3 führen unter Ausbildung von zwei im Zylinderkopf 2 integrierten Abgaskrümmern 6a, 6b zu zwei Gesamtabgasleitungen 7a, 7b zusammen. Diese Gesamtabgasleitungen 7a, 7b führen wiederum zu einer gemeinsamen Abgasleitung 14 zusammen.The exhaust pipes 5a . 5b the cylinder 3 lead under training of two in the cylinder head 2 integrated exhaust manifolds 6a . 6b to two total exhaust pipes 7a . 7b together. These total exhaust pipes 7a . 7b in turn lead to a common exhaust pipe 14 together.

Stromabwärts jeder Turbine 8a, 9a ist jeweils ein Abgasnachbehandlungssystem 13a, 13b vorgesehen. Die Abgasnachbehandlungssysteme 13a, 13b können Unterschiede im Aufbau aufweisen und damit dem Umstand Rechnung tragen, dass die vorgesehenen Turbinen 8a, 9a zumindest zeitweise bei unterschiedlichen Randbedingungen betrieben werden und die Zustandsgrößen des turbinenzugehörigen Abgasstroms, nämlich Druck und Temperatur, stark differieren können.Downstream of each turbine 8a . 9a each is an exhaust aftertreatment system 13a . 13b intended. The exhaust aftertreatment systems 13a . 13b may have differences in structure and thus take into account the fact that the proposed turbines 8a . 9a at least temporarily operated at different boundary conditions and the state variables of the turbine-related exhaust gas flow, namely pressure and temperature, can differ greatly.

Vorliegend führen die beiden Gesamtansaugleitungen 11a, 11b stromabwärts der Verdichter 8b, 9b zusammen, wobei der erste Verdichter 8b, insbesondere in einem zweiten Betriebsmodus B, vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt werden kann, damit der zweite Verdichter 9b nicht in den ersten Verdichter 8b hinein fördert. Hierzu ist stromabwärts des ersten Verdichters 8b ein Absperrelement angeordnet, das der Deaktivierung dieses Verdichters 8b dient. Damit der erste Verdichter 8b nicht gegen den Widerstand des verschlossenen Absperrelementes fördern muss, ist eine Bypassleitung vorgesehen, in der ebenfalls ein Absperrelement angeordnet ist.In the present case lead the two total intake lines 11a . 11b downstream of the compressor 8b . 9b together, with the first compressor 8b , Especially in a second operating mode B, can be separated from the rest of the intake system, so that the second compressor 9b not in the first compressor 8b into it. This is downstream of the first compressor 8b a shut-off arranged, the deactivation of this compressor 8b serves. So that the first compressor 8b does not have to promote against the resistance of the closed shut-off, a bypass line is provided, in which also a shut-off is arranged.

Die zweite Turbine 9a ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt, deren Bypassleitung stromaufwärts der Turbine 9a aus der zweiten Gesamtabgasleitung 7b abzweigt und stromabwärts der Turbine 9a und stromaufwärts des Abgasnachbehandlungssystems 13b wieder in diese Gesamtabgasleitung 7b mündet.The second turbine 9a is designed as a waste-gate turbine, whose bypass line upstream of the turbine 9a from the second total exhaust line 7b branches off and downstream of the turbine 9a and upstream of the exhaust aftertreatment system 13b again in this total exhaust line 7b empties.

Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 ermöglicht einen ersten Betriebsmodus A, der die Teilabschaltung betrifft. Während der Teilabschaltung sind die beiden innenliegenden Zylinder 3 der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet und die dazugehörigen Auslassöffnungen 4a ebenfalls. Dann versorgen die beiden außenliegenden Zylinder 3 der ersten Zylindergruppe beide Turbinen 8a, 9a mit Abgas, wodurch der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem gesenkt und der Ladungswechsel der ersten Zylindergruppe bei Teilabschaltung verbessert wird. Der Wirkungsgrad erhöht sich nochmals.The illustrated internal combustion engine 1 allows a first operating mode A, which relates to the partial shutdown. During partial shutdown, the two internal cylinders 3 the second cylinder group switched off and the associated outlet openings 4a also. Then supply the two outer cylinder 3 the first cylinder group both turbines 8a . 9a with exhaust gas, whereby the exhaust back pressure is lowered in the Abgasabführsystem and the charge cycle of the first cylinder group is improved during partial shutdown. The efficiency increases again.

Gemäß eines zweiten Betriebsmodus B wird die Turbine 9a des zweiten Abgasturboladers 9 von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt und die Turbine 8a des ersten Abgasturboladers 8 ist deaktiviert, wozu die zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a der Zylinder 3, deren Abgasleitungen 4a in die erste Gesamtabgasleitung 7a münden, deaktiviert werden.According to a second operating mode B, the turbine 9a the second exhaust gas turbocharger 9 from the four cylinders 3 the internal combustion engine 1 Exhaust gas is applied and the turbine 8a of the first exhaust gas turbocharger 8th is disabled, including the switchable outlet openings 4a the cylinder 3 , their exhaust pipes 4a into the first total exhaust gas line 7a to be deactivated.

In einem dritten Betriebsmodus C werden dann beide Turbinen 8a, 9a von den vier Zylindern 3 der Brennkraftmaschine 1 mit Abgas beaufschlagt. Hierzu werden sämtliche zuschaltbaren Auslassöffnungen 4a aktiviert und betätigt.In a third operating mode C then both turbines 8a . 9a from the four cylinders 3 the internal combustion engine 1 Exhaust gas is applied. For this purpose, all switchable outlet openings 4a activated and operated.

2 zeigt schematisch das Kennfeld der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit den drei unterschiedlichen Betriebsmodi A, B, C, wobei auf der Abszisse die Drehzahl nmot und auf der Ordinate die Last T aufgetragen ist. 2 schematically shows the map of the first embodiment of the internal combustion engine with the three different operating modes A, B, C, wherein the abscissa, the speed n mot and the ordinate, the load T is plotted.

Zu erkennen ist, dass die Drehzahl nmot, bei der geschaltet wird, von der Last T und die Last T, bei der geschaltet wird, von der Drehzahl nmot abhängig ist.It can be seen that the speed n mot at which switching is dependent on the load T and the load T at which switching is dependent on the speed n mot .

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor supercharged internal combustion engine, four-cylinder in-line engine
22
Zylinderkopf cylinder head
33
Zylinder cylinder
4a4a
zuschaltbare Auslassöffnung switchable outlet opening
4b4b
Auslassöffnung outlet
5a5a
Abgasleitung einer zuschaltbaren Auslassöffnung Exhaust pipe of a switchable outlet opening
5b5b
Abgasleitung exhaust pipe
6a6a
erster Abgaskrümmer first exhaust manifold
6b6b
zweiter Abgaskrümmer second exhaust manifold
7a7a
erste Gesamtabgasleitung first total exhaust gas line
7b7b
zweite Gesamtabgasleitung second total exhaust line
88th
erster Abgasturbolader first exhaust gas turbocharger
8a8a
erste Turbine, zuschaltbare Turbine first turbine, switchable turbine
8b8b
erster Verdichter first compressor
99
zweiter Abgasturbolader second exhaust gas turbocharger
9a9a
zweite Turbine second turbine
9b9b
zweiter Verdichter second compressor
1010
Ladeluftkühler Intercooler
11a11a
erste Ansaugleitung first suction line
11b11b
zweite Ansaugleitung  second intake pipe
1212
Plenum plenum
13a13a
Abgasnachbehandlungssystem aftertreatment system
13b13b
Abgasnachbehandlungssystem aftertreatment system
1414
gemeinsame Abgasleitung common exhaust pipe
AA
erster Betriebsmodus first operating mode
BB
zweiter Betriebsmodus second operating mode
CC
dritter Betriebsmodus third operating mode
TT
Drehmoment, Last Torque, load
nmot n mot
Drehzahl der Brennkraftmaschine Speed of the internal combustion engine

Claims (18)

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf (2) mit mindestens zwei Zylindern (3), bei der – jeder Zylinder (3) mindestens zwei Auslassöffnungen (4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, – mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (8, 9) eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (8a, 9a) umfasst, und – die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass die Abgasleitung (5a) einer zuschaltbaren Auslassöffnung (4a) jedes Zylinders (3) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) in eine erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, welche mit der Turbine (8a) eines ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und die Abgasleitungen (5a, 5b) der anderen Auslassöffnungen (4a, 4b) der mindestens zwei Zylinder (3) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) eines zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Zylinder (3) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Zylindergruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (3) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (3) einer ersten Zylindergruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (1) in Betrieb befindlicher Zylinder (3) ist und der mindestens eine Zylinder (3) einer zweiten Zylindergruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (3) ausgebildet ist, und – sämtliche Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen (4a) ausgebildet sind. Charged internal combustion engine ( 1 ) with at least one cylinder head ( 2 ) with at least two cylinders ( 3 ), in which - each cylinder ( 3 ) at least two outlet openings ( 4a . 4b ) for discharging the exhaust gases, of which at least one as switchable outlet ( 4a ) is formed, wherein at each outlet opening ( 4a . 4b ) an exhaust pipe ( 5a . 5b ) for discharging the exhaust gases via Abgasabführsystem connects, - at least two exhaust gas turbochargers ( 8th . 9 ) are provided, each exhaust gas turbocharger ( 8th . 9 ) a turbine arranged in the exhaust-gas removal system ( 8a . 9a ), and - the exhaust pipes ( 5a . 5b ) the at least two cylinders ( 3 ) are configured in such a way that the exhaust pipe ( 5a ) a switchable outlet opening ( 4a ) of each cylinder ( 3 ) to form a first exhaust manifold ( 6a ) into a first overall exhaust gas line ( 7a ), which with the turbine ( 8a ) of a first exhaust gas turbocharger ( 8th ), and the exhaust pipes ( 5a . 5b ) of the other outlet openings ( 4a . 4b ) the at least two cylinders ( 3 ) to form a second exhaust manifold ( 6b ) to a second total exhaust line ( 7b ), which with the turbine ( 9a ) of a second exhaust gas turbocharger ( 9 ), characterized in that - at least two cylinders ( 3 ) are configured in such a way that they have at least two cylinder groups each having at least one cylinder ( 3 ), wherein the at least one cylinder ( 3 ) a first cylinder group also at partial shutdown of the internal combustion engine ( 1 ) operating cylinder ( 3 ) and the at least one cylinder ( 3 ) a second cylinder group as a load-dependent switchable cylinder ( 3 ), and - all the outlet openings ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group as switchable outlet openings ( 4a ) are formed. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinder (3) der ersten Zylindergruppe nur eine zuschaltbare Auslassöffnung (4a) aufweist, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group only one switchable outlet opening ( 4a ), whose exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ) opens. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe als zuschaltbare Auslassöffnungen (4a) ausgebildet sind.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to claim 1, characterized in that all the outlet openings ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group as switchable outlet openings ( 4a ) are formed. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen (5a, 5b) der mindestens zwei Zylinder (3) innerhalb des Zylinderkopfes (2) zu Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) zusammenführen.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust pipes ( 5a . 5b ) the at least two cylinders ( 3 ) within the cylinder head ( 2 ) to total exhaust gas lines ( 7a . 7b ) merge. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens zwei entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes (2) in Reihe angeordneten Zylindern (3), wobei der mindestens eine Zylinderkopf (2) an einer Montage-Stirnseite mit einem Zylinderblock verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtabgasleitung (7a, 7b) auf der von der Montage-Stirnseite abgewandten Seite einer anderen Gesamtabgasleitung (7a, 7b) angeordnet ist.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims with at least two along a longitudinal axis of the cylinder head ( 2 ) arranged in series cylinders ( 3 ), wherein the at least one cylinder head ( 2 ) is connectable to a cylinder block at a mounting end face, characterized in that an overall exhaust gas line ( 7a . 7b ) on the side facing away from the mounting end side of another total exhaust line ( 7a . 7b ) is arranged. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) entlang der Längsachse des Zylinderkopfes (2) unter Ausbildung eines Abstandes versetzt angeordnet sind.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the at least two total exhaust gas lines ( 7a . 7b ) along the longitudinal axis of the cylinder head ( 2 ) are arranged offset to form a distance. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit mindestens vier entlang einer Längsachse des Zylinderkopfes (2) in Reihe angeordneten Zylindern (3), dadurch gekennzeichnet, dass die außenliegenden Zylinder (3) eine Zylindergruppe bilden und die mindestens zwei innenliegenden Zylinder (3) eine andere Zylindergruppe bilden. Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims with at least four along a longitudinal axis of the cylinder head ( 2 ) arranged in series cylinders ( 3 ), characterized in that the outer cylinders ( 3 ) form a cylinder group and the at least two inner cylinders ( 3 ) form another cylinder group. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtabgasleitungen (7a, 7b) stromabwärts der Turbinen (8a, 9a) zu einer gemeinsamen Abgasleitung (14) zusammenführen.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the total exhaust gas lines ( 7a . 7b ) downstream of the turbines ( 8a . 9a ) to a common exhaust pipe ( 14 ) merge. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Gesamtabgasleitung (7a, 7b) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (13a, 13b) stromabwärts der Turbine (8a, 9a) angeordnet ist.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in each total exhaust line ( 7a . 7b ) at least one exhaust aftertreatment system ( 13a . 13b ) downstream of the turbine ( 8a . 9a ) is arranged. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Turbine (8a, 9a) als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist, wobei stromaufwärts dieser Turbine (8a, 9a) eine Bypassleitung vom Abgasabführsystem abzweigt und ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen ist.Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one turbine ( 8a . 9a ) is designed as a waste gate turbine, wherein upstream of this turbine ( 8a . 9a ) branches off a bypass line from Abgasabführsystem and a shut-off element is provided in the bypass line. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Turbine (8a, 9a) eine variable Turbinengeometrie aufweist. Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one turbine ( 8a . 9a ) has a variable turbine geometry. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) größer dimensioniert ist als die Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8).Charged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 9a ) of the second exhaust gas turbocharger ( 9 ) is larger than the turbine ( 8a ) of the first exhaust gas turbocharger ( 8th ). Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) der mindestens zwei Zylinder (3) in Abhängigkeit der Last T und der Drehzahl nmot geschaltet werden. Method for operating a supercharged internal combustion engine ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the switchable outlet openings ( 4a ) the at least two cylinders ( 3 ) are switched in dependence on the load T and the speed n mot . Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus – der mindestens eine Zylinder (3) der zweiten Zylindergruppe abgeschaltet wird, – der mindestens eine Zylinder (3) der zweiten Zylindergruppe durch Abschalten der Auslassöffnungen (4a) deaktiviert wird, und – die Turbinen (8a, 9a) der mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) von dem mindestens einen Zylinder (3) der ersten Zylindergruppe mit Abgas versorgt werden, indem zu den Auslassöffnungen (4a, 4b) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe gehörende Ventile betätigt werden.A method according to claim 13, characterized in that in a first operating mode - the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group is switched off, - the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group by switching off the outlet openings ( 4a ), and - the turbines ( 8a . 9a ) of the at least two turbocharger ( 8th . 9 ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group are supplied with exhaust gas by passing to the outlet openings ( 4a . 4b ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group belonging valves are actuated. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom ersten Betriebsmodus der mindestens eine abgeschaltete Zylinder (3) der zweiten Zylindergruppe zugeschaltet wird, wobei – die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, deaktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die zweite Gesamtabgasleitung (7b) mündet, aktiviert wird, falls die Last eine vorgebbare Last übersteigt und die Drehzahl kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl, wodurch die Brennkraftmaschine (1) in einen zweiten Betriebsmodus überführt wird, in welchem die Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) von den mindestens zwei Zylindern (3) der Brennkraftmaschine (1) mit Abgas beaufschlagt wird und die Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) deaktiviert ist, oder – die zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe aktiviert werden, falls die Last eine vorgebbare Last übersteigt und die Drehzahl größer ist als die vorgebbare Drehzahl, wodurch die Brennkraftmaschine (1) in einen dritten Betriebsmodus überführt wird, in welchem die Turbinen (8a, 9a) der mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) von den mindestens zwei Zylindern (3) der Brennkraftmaschine (1) mit Abgas beaufschlagt werden. A method according to claim 14, characterized in that starting from the first operating mode, the at least one deactivated cylinder ( 3 ) is connected to the second cylinder group, wherein - the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group, the exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ), is deactivated and the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group whose exhaust pipe ( 5a ) into the second total exhaust line ( 7b ) is activated, if the load exceeds a predetermined load and the speed is less than a predetermined speed, whereby the internal combustion engine ( 1 ) is transferred to a second operating mode, in which the turbine ( 9a ) of the second exhaust gas turbocharger ( 9 ) of the at least two cylinders ( 3 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is exposed to exhaust gas and the turbine ( 8a ) of the first exhaust gas turbocharger ( 8th ) is deactivated, or - the switchable outlet openings ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group are activated if the load exceeds a predefinable load and the speed is greater than the predetermined speed, whereby the internal combustion engine ( 1 ) is transferred to a third operating mode in which the turbines ( 8a . 9a ) of the at least two turbocharger ( 8th . 9 ) of the at least two cylinders ( 3 ) of the internal combustion engine ( 1 ) are exposed to exhaust gas. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom zweiten Betriebsmodus, – die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, aktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, aktiviert wird, falls die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl übersteigt, wodurch die Brennkraftmaschine (1) in den dritten Betriebsmodus überführt wird.Method according to claim 15, characterized in that, starting from the second operating mode, - the connectable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group, the exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ), is activated and the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group whose exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ) is activated, if the speed exceeds a predetermined speed, whereby the internal combustion engine ( 1 ) is transferred to the third operating mode. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom dritten Betriebsmodus, – die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, deaktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, deaktiviert wird, falls die Drehzahl eine vorgebbare Drehzahl unterschreitet, wodurch die Brennkraftmaschine (1) in den zweiten Betriebsmodus überführt wird.A method according to claim 15, characterized in that starting from the third operating mode, - the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group, the exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ), is deactivated and the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group whose exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ), is deactivated, if the speed falls below a predetermined speed, whereby the internal combustion engine ( 1 ) is transferred to the second operating mode. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) in den ersten Betriebsmodus überführt wird, falls die Last eine vorgebbare Last unterschreitet, wobei – ausgehend vom zweiten Betriebsmodus die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der ersten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die erste Gesamtabgasleitung (7a) mündet, aktiviert wird und die zuschaltbare Auslassöffnung (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe, deren Abgasleitung (5a) in die zweite Gesamtabgasleitung (7b) mündet, deaktiviert wird, oder – ausgehend vom dritten Betriebsmodus die zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) des mindestens einen Zylinders (3) der zweiten Zylindergruppe deaktiviert werden.Method according to one of claims 15 to 17, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) is transferred into the first operating mode, if the load falls below a predeterminable load, wherein - starting from the second operating mode, the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the first cylinder group, the exhaust pipe ( 5a ) into the first exhaust line ( 7a ), is activated and the switchable outlet opening ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group whose exhaust pipe ( 5a ) into the second total exhaust line ( 7b ), is deactivated, or - starting from the third operating mode the switchable outlet openings ( 4a ) of the at least one cylinder ( 3 ) of the second cylinder group are deactivated.
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