DE102015102644B4

DE102015102644B4 - Variable doppelschneckenturbine für einen turboaufgeladenen verbrennungsmotor mit zylinderdeaktivierung

Info

Publication number: DE102015102644B4
Application number: DE102015102644.9A
Authority: DE
Inventors: Ko-Jen Wu; Jason C. Melecosky; Darrel J. Walter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: CN104879208B; DE102015102644A1; US9051871B1; CN104879208A

Abstract

Verbrennungsmotor (10), der umfasst:einen Motorblock (14), der mehrere Zylinder (18, 20, 22, 24) definiert, wobei die mehreren Zylinder (18, 20, 22, 24) zumindest einen ständig aktiven Zylinder (18, 24) und zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, umfassen;einen Zylinderkopf (16), der an dem Motorblock (14) befestigt ist und mehrere Einlassöffnungen (30) sowie mehrere Auslassöffnungen (32) in Verbindung mit den mehreren Zylindern (18, 20, 22, 24) aufweist;einen Einlasskrümmer (34) in Verbindung mit den mehreren Einlassöffnungen (30);mehrere Auslassdurchgänge (48, 50), die mit den mehreren Auslassöffnungen (32) verbunden sind;einen Turbolader (52) mit einer Doppelschneckenturbine (54), die eine erste Turbinenschnecke (54A), die mit den Auslassdurchgängen (48) des zumindest einen ständig aktiven Zylinders (18, 24) in Verbindung steht, und eine zweite Turbinenschnecke (54B) aufweist, die mit den Auslassdurchgängen (50) des zumindest einen Zylinders (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, in Verbindung steht, wobei der Turbolader (52) einen Kompressor (55) aufweist, der durch die Doppelschneckenturbine (54) angetrieben wird, um einem Drosselkörper (60) komprimierte Luft zuzuführen; undein Schneckensteuerventil (56), das in Verbindung mit den Auslassdurchgängen (50) des zumindest einen Zylinders (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, bereitgestellt ist und in einer offenen Position betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass Abgase aus dem zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, durch die zweite Turbinenschnecke (54B) hindurchtreten,dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckensteuerventil (56) in einer geschlossenen Position betreibbar ist, um Abgase aus dem zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, derart zu leiten, dass sie durch die erste Turbinenschnecke (54A) hindurchtreten.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine variable Doppelschneckenturbine für turboaufgeladene Verbrennungsmotoren mit Zylinderdeaktivierung.
HINTERGRUND
Gegenwärtige gesetzliche Vorgaben für den Automobilmarkt haben zu einer erhöhten Anforderung geführt, bei gegenwärtigen Fahrzeugen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und die Emissionen zu verringern. Diese gesetzlichen Vorgaben müssen mit den Forderungen eines Verbrauchers nach einer hohen Leistung und einem schnellen Ansprechen eines Fahrzeugs ins Gleichgewicht gebracht werden. Die Zylinderdeaktivierung ist eine Technologie, die oft bei selbstsaugenden Verbrennungsmotoren angewendet wird, um die Wirkungsgrade des Motors unter Teillastbedingungen zu verbessern, indem eine ausgewählte Anzahl von Zylindern abgeschaltet wird, so dass die verbleibenden Zylinder mit verringerten Pumpverlusten arbeiten [siehe „Active Fuel Management Technology; Hardware Development on a 2007 GM 3.9L V-6 OHV SI Engine“, SAE Paper 2007-01-1292, 2007].
Die Zylinderdeaktivierung kann auf turboaufgeladene Motoren angewendet werden, wie in den Druckschriften US 6 715 289 B2 und US 6 786 190 B2 offenbart ist. Wenn ein Motor jedoch mit einem einzigen Turbolader ausgestattet ist, können die Betriebsbereiche des Motors in dem deaktivierten Modus durch die Strömungs- und Ladedruckfähigkeiten des Turboladerkompressors beschränkt sein [siehe „The 1.4-L TSI Gasoline Engine with Cylinder Deactivation“, MTZ, Band 73, März 2012].
Eine Möglichkeit zum Abmildern einer solchen Beschränkung ist die Verwendung mehrerer separater Turbolader, wie sie beispielsweise in der vorstehend erwähnten Druckschrift US 6 715 289 B2 offenbart ist, so dass deren Betriebsweisen die Anforderungen des Motors über dessen Drehzahl- und Lastbereiche erfüllen können. Trotzdem besteht ein Wunsch nach der Verwendung eines einzigen Turboladers aus Gründen der Einfachheit des Systems, der Bauraumkomplexität und der Kostendämpfung, sogar mit Kompromissen bezüglich der Effizienz des Turboladers.
Es ist möglich, einen Turboladerkompressor derart zu bemessen, dass der Deaktivierungsbetrieb des Motors hauptsächlich bei niedrigeren Motordrehzahlen begünstigt wird. Dies erfordert die Verwendung eines kleineren Kompressors, wodurch die Leistung des Motors bei hohen Drehzahlen beeinträchtigt wird. Der Kompressor kann eine solche Größe aufweisen, dass eine einzige Turbine mit einer festen Geometrie nicht in der Lage ist, den Kompressor derart anzutreiben, dass die Leistungsanforderungen erfüllt werden. Wie erwartet ist eine kleinere Turbine wünschenswert, um den Zielwert bei geringer Motordrehzahl zu erfüllen, während eine größere Turbine wünschenswert ist, um den Zielwert bei hoher Motordrehzahl zu erfüllen.
Aus der DE 20 2013 102 078 U1 ist ein Verbrennungsmotor mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit deaktivierbaren Zylindern zu schaffen, der mit einem einzigen Turbolader Zielwerte bezüglich der Leistung und der Kraftstoffwirtschaftlichkeit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drehzahlen erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Verbrennungsmotor umfasst einen Motorblock, der mehrere Zylinder definiert, die ständig aktive Zylinder und Zylinder umfassen, die in der Lage sind, deaktiviert zu werden. Ein Turbolader mit einer Doppelschneckenturbine (Twin-Scroll-Turbine) weist eine erste Turbinenschnecke, die mit Auslassdurchgängen der ständig aktiven Zylinder in Verbindung steht, und eine zweite Turbinenschnecke auf, die mit den Auslassdurchgängen der Zylinder in Verbindung steht, die in der Lage sind, deaktiviert zu werden. Der Turbolader weist einen einzigen Kompressor auf, der durch die Doppelschneckenturbine angetrieben wird, um den Einlassöffnungen der Zylinder komprimierte Luft zuzuführen. Es ist ein Schneckensteuerventil in Verbindung mit den Auslassdurchgängen der Zylinder vorgesehen, die in der Lage sind, deaktiviert zu werden, und es ist in einer offenen Position betreibbar, um zu ermöglichen, dass Abgase aus den Zylindern, die in der Lage sind, deaktiviert zu werden, durch die zweite Turbinenschnecke hindurchzutreten, und es ist in einer geschlossenen Position betreibbar, um Abgase aus den mehreren zweiten Zylindern, die in der Lage sind, deaktiviert zu werden, derart zu leiten, dass sie durch die erste Turbinenschnecke hindurchtreten.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Turboladersystems mit einer variablen Doppelschneckenturbine in einem Motor mit Zylinderdeaktivierung;
2 ist eine schematische Ansicht des Turboladersystems mit variabler Doppelschneckenturbine in einem Motor mit Zylinderdeaktivierung, wie er in 1 gezeigt ist, wobei Zylinder für einen Betrieb bei niedriger Drehzahl und unter niedriger Last deaktiviert sind;
3 ist eine schematische Ansicht eines Turboladersystems mit variabler Doppelschneckenturbine in einem Motor mit Zylinderdeaktivierung, wie er in 1 gezeigt ist, wobei alle Zylinder betriebsbereit sind und das Abgas für einen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen und unter hohen Lasten zu einer Turbinenschnecke geleitet wird; und
4 ist ein schematisches Diagramm eines Schneckensteuerventils gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben.
Eine Motorbaugruppe 10 ist in 1 dargestellt und umfasst eine Motorstruktur 12. Die Motorstruktur 12 kann einen Motorblock 14 und einen Zylinderkopf 16 umfassen. Die Motorstruktur 12 kann einen ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder 18, 20, 22, 24 definieren. Die Beschreibung umfasst der Einfachheit halber den ersten, zweiten, dritten und vierten Zylinder 18, 20, 22, 24, und es versteht sich, dass die vorliegenden Lehren für eine beliebige Anzahl von Kolben-ZylinderAnordnungen und eine Vielzahl von Motorkonfigurationen mit Hubkolben gelten, die V-Motoren, Reihenmotoren und horizontal entgegengesetzte Motoren und auch Konfigurationen mit obenliegenden Nocken und Nocken im Block umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Motorstruktur trägt eine Kurbelwelle und mehrere Kolben, die in den jeweiligen Zylindern 18, 20, 22, 24 angeordnet sind, wie es in der Technik bekannt ist.
Der Motor 10 weist eine Zylinderdeaktivierung auf, so dass beispielsweise ein Controller 26 einen oder mehrere der Zylinder 18, 20, 22, 24 deaktivieren kann. Bei dem gezeigten Beispiel können die Zylinder 20 und 22 durch den Controller 26 deaktiviert werden. Die Zylinderdeaktivierung erfolgt als Funktion einer Last- oder Drehmomentanforderung durch das Fahrzeug, wie sie durch Variablen wie etwa den Krümmerdruck ermittelt wird. Wenn sich der Verbrennungsmotor in einem Zustand befindet, in dem er das gewünschte Drehmoment mit einem Teil des Hubraums liefern kann, um den Wirkungsgrad zu verbessern, deaktiviert der Controller 26 die Mechanismen, welche die Ventile betreiben, für die ausgewählten Zylinder und schaltet ebenso den Kraftstoff und den Zündfunken für die ausgewählten Zylinder ab. Die deaktivierten Zylinder wirken anschließend als Luftfedern.
Die Motorstruktur 12 kann mehrere Einlassöffnungen 30 (von denen nur eine bezeichnet ist) und mehrere Auslassöffnungen 32 (von denen nur eine bezeichnet ist) in dem Zylinderkopf 16 definieren, welche jedem der Zylinder 18, 20, 22 und 24 zugeordnet sind.
Die Motorbaugruppe 10 umfasst einen Einlasskrümmer 34 mit mehreren Kanälen 36 (von denen nur einer bezeichnet ist), die mit einer jeweiligen der Einlassöffnungen 30 in Verbindung stehen. Mehrere Auslasskanäle 40, 42, 44, 46 stehen mit einer jeweiligen der Auslassöffnungen 32 in Verbindung. Die Auslasskanäle sind derart verzweigt, dass die Auslasskanäle 40 und 46 der ständig aktiven Zylinder 18, 24 an dem ersten Auslassdurchgang 48 miteinander verbunden sind und dass die Auslasskanäle 42 und 44 der Zylinder 20, 22, die deaktiviert werden können, an dem zweiten Auslassdurchgang 50 miteinander verbunden sind.
Ein Turbolader 52 weist eine variable Doppelschneckenturbine 54 auf, die zwei Turbinenschnecken 54A und 54B umfasst. Die erste Turbinenschnecke 54A nimmt Abgase aus dem ersten Auslassdurchgang 48 auf, und die zweite Turbinenschnecke 54B nimmt Abgase aus dem zweiten Auslassdurchgang 50 auf. Jede von der ersten und der zweiten Turbinenschnecke 54A, 54B kann Abgase aus dem ersten und dem zweiten Auslassdurchgang 48, 50 der Turbine (nicht gezeigt) zuführen, die mit einer Welle verbunden ist, welche einen Kompressor 55 antreibt. Die Abgase treten durch die Doppelschneckenturbine 54 und durch ein Auslasssystem 58 hindurch. Der Kompressor 55 steht mit einem Einlasssystem 66 in Verbindung und liefert komprimierte Luft an den Einlasskrümmer 34. Ein Schneckensteuerventil 56 wird durch den Controller 26 gesteuert, um Abgase aus dem zweiten Auslassdurchgang 50 gegenüber der zweiten Turbinenschnecke 54B selektiv zu blockieren, und es leitet die Abgase zu der ersten Turbinenschnecke 54A zurück.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Schneckensteuerventils 56, das offen sein kann, um eine Strömung aus dem zweiten Abgasdurchgang 50 zu der zweiten Turbinenschnecke 54B zu ermöglichen, oder geschlossen (nicht gezeigt), um eine Abgasströmung aus dem zweiten Abgasdurchgang 50 zu der ersten Turbinenschnecke 54A zu leiten. Das Schneckensteuerventil kann durch bekannte Mittel aktiviert werden, wie beispielsweise durch einen elektrischen Servomotor oder einen anderen pneumatischen oder hydraulischen Aktuator. Der Controller 26 stimmt den Betrieb des Schneckensteuerventils 56 und die Motordeaktivierung zusammen mit beliebigen notwendigen Sensoren ab. Zusätzlich steuert der Controller 26 einen Drosselkörper 60 und ein Ladedruck-Regelventil 62, welche die Last des Motors regeln, indem die Einlassströmungsrate geregelt wird.
Wie in 1 gezeigt ist, kann ein Bypassventil 64 in Verbindung mit dem Einlasssystem 66 vorgesehen sein, um den Turbolader 54 zu umgehen. Zusätzlich kann ein Wärmetauscher 68 vorgesehen sein, um die Einlassluft stromaufwärts des Drosselkörpers 60 zu kühlen.
Für den Betrieb ist 1 eine Veranschaulichung des Betriebsmodus bei hohen Drehzahlen (oberhalb einer vorbestimmten Drehzahl), bei denen die Strömungsraten mit Turboaufladung hoch sind, alle Zylinder aktiv sind und das Schneckensteuerventil 56 offen ist, um die volle Turbinenkapazität zu verwenden. In 1 - 3 sind die betriebsbereiten Teile des Motors 10 zu Veranschaulichungszwecken schattiert. 2 ist ein Veranschaulichung des Betriebsmodus bei niedrigen Drehzahlen (unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl) und bei niedrigen Lasten, wobei einige Zylinder (20, 22) deaktiviert sind und das Schneckensteuerventil 56 geöffnet sein kann, während kein Abgas von den deaktivierten Zylindern 20 und 22 erzeugt wird, so dass eine Abgasströmung aus den Zylindern 18 und 24 in die eine Turbinenschnecke 54A erfolgt. 3 ist eine Veranschaulichung des Betriebsmodus bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten (unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl und dennoch oberhalb eines vorbestimmten Lastniveaus), bei welchem alle Zylinder aktiv sind und das Schneckensteuerventil geschlossen ist, um die gesamte Abgasströmung in die eine Turbinenschnecke 54A zu leiten.
Die vorliegende Offenbarung sieht ein verbessertes Ansprechen eines Turboladers bei geringen Motordrehzahlen und auch einen erweiterten Betriebsbereich des Motors 10 mit deaktivierten Zylindern und dadurch eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit vor. Das System liefert eine verbesserte Gesamtleistung bei voller Last, was zu einer besseren Kraftstoffwirtschaftlichkeit führen kann.

Claims

Verbrennungsmotor (10), der umfasst: einen Motorblock (14), der mehrere Zylinder (18, 20, 22, 24) definiert, wobei die mehreren Zylinder (18, 20, 22, 24) zumindest einen ständig aktiven Zylinder (18, 24) und zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, umfassen; einen Zylinderkopf (16), der an dem Motorblock (14) befestigt ist und mehrere Einlassöffnungen (30) sowie mehrere Auslassöffnungen (32) in Verbindung mit den mehreren Zylindern (18, 20, 22, 24) aufweist; einen Einlasskrümmer (34) in Verbindung mit den mehreren Einlassöffnungen (30); mehrere Auslassdurchgänge (48, 50), die mit den mehreren Auslassöffnungen (32) verbunden sind; einen Turbolader (52) mit einer Doppelschneckenturbine (54), die eine erste Turbinenschnecke (54A), die mit den Auslassdurchgängen (48) des zumindest einen ständig aktiven Zylinders (18, 24) in Verbindung steht, und eine zweite Turbinenschnecke (54B) aufweist, die mit den Auslassdurchgängen (50) des zumindest einen Zylinders (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, in Verbindung steht, wobei der Turbolader (52) einen Kompressor (55) aufweist, der durch die Doppelschneckenturbine (54) angetrieben wird, um einem Drosselkörper (60) komprimierte Luft zuzuführen; und ein Schneckensteuerventil (56), das in Verbindung mit den Auslassdurchgängen (50) des zumindest einen Zylinders (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, bereitgestellt ist und in einer offenen Position betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass Abgase aus dem zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, durch die zweite Turbinenschnecke (54B) hindurchtreten, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckensteuerventil (56) in einer geschlossenen Position betreibbar ist, um Abgase aus dem zumindest einen Zylinder (20, 22), der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, derart zu leiten, dass sie durch die erste Turbinenschnecke (54A) hindurchtreten.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 1, der ferner eine Steuereinheit (26) umfasst, um den Betrieb des Schneckensteuerventils (56) zu steuern und um die Aktivierung oder Deaktivierung des zumindest einen Zylinders (20, 22) zu steuern, der in der Lage ist, deaktiviert zu werden.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, wobei der Drosselkörper (60) stromaufwärts des Einlasskrümmers (34) angeordnet ist und die Steuereinheit (26) den Betrieb des Drosselkörpers (60) steuert.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, wobei während eines Betriebs des Motors (10), bei dem alle der mehreren Zylinder (18, 20, 22, 24) aktiviert sind und der oberhalb einer vorbestimmten Drehzahl erfolgt, die Steuereinheit (26) das Schneckensteuerventil (56) in der offenen Position hält und wobei während eines Betriebs des Motors (10), bei dem alle der mehreren Zylinder (18, 20, 22, 24) aktiviert sind und der unterhalb der vorbestimmten Drehzahl erfolgt, die Steuereinheit (26) das Schneckensteuerventil (56) in der geschlossenen Position hält.
Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (26) während des Betriebs des Motors (10) unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl und unterhalb einer vorbestimmten Last den zumindest einen Zylinder (20, 22) deaktiviert, der in der Lage ist, deaktiviert zu werden, und das Schneckensteuerventil (56) in der offenen Position hält.