DE102015107532B4 - internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine (1) mit mehreren Zylindergruppen (2, 3) aus jeweils mehreren Zylindern und mit mehreren Abgasturboladern (7, 7.1, 9, 9.1), wobei einer ersten Zylindergruppe (2) ein erster Abgasturbolader (7) und ein zweiter Abgasturbolader (9) zugeordnet und wobei einer zweiten Zylindergruppe (3) ein erster Abgasturbolader (7.1) und ein zweiter Abgasturbolader (9.1) zugeordnet sind, derart, dass von ersten Auslassventilen (4) der Zylinder der ersten Zylindergruppe (2) und von ersten Auslassventilen (4.1) der Zylinder der zweiten Zylindergruppe (3) über jeweils einen ersten Abgaskrümmer (6, 6.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) Abgas dem jeweiligen ersten Abgasturbolader (7, 7.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) zuführbar ist, dass von zweiten Auslassventilen (5) der Zylinder der ersten Zylindergruppe (2) und von zweiten Auslassventilen (5.1) der Zylinder der zweiten Zylindergruppe (3) Abgas über jeweils einen zweiten Abgaskrümmer (8, 8.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) Abgas dem jeweiligen zweiten Abgasturbolader (9, 9.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) zuführbar ist, wobei die Abgaskrümmer (6, 6.1, 8, 8.1) pro Zylindergruppe (2, 3) jeweils mit jeweils einem Abgasturbolader (7, 7.1, 9, 9.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) verbindbar sind, die mittels eines jeweiligen Überströmventils (12, 13) mit dem Abgasstrom steuer- bzw. regelbar beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Überströmventil (12, 13) in den Abgaskrümmern (6, 6.1, 8, 8.1) der jeweiligen Zylindergruppe (2, 3) angeordnet ist, wobei ein Öffnen und Schließen der Überströmventile (12, 13) mit einem Öffnen und/oder Schließen von Regelventilen (10, 11) der Abgasturbolader (7, 7.1, 9, 9.1) gekoppelt ist.Internal combustion engine (1) with several cylinder groups (2, 3) each consisting of several cylinders and with several exhaust gas turbochargers (7, 7.1, 9, 9.1), a first cylinder group (2) having a first exhaust gas turbocharger (7) and a second exhaust gas turbocharger (9) assigned and wherein a first exhaust gas turbocharger (7.1) and a second exhaust gas turbocharger (9.1) are assigned to a second cylinder group (3), in such a way that the cylinder of the first cylinder group (2) from the first exhaust valves (4) and the cylinder from the first exhaust valves (4.1) Cylinders of the second cylinder group (3) via a respective first exhaust manifold (6, 6.1) of the respective cylinder group (2, 3) exhaust gas can be supplied to the respective first exhaust gas turbocharger (7, 7.1) of the respective cylinder group (2, 3) that from second exhaust valves (5) the cylinder of the first cylinder group (2) and from second exhaust valves (5.1) the cylinder of the second cylinder group (3) exhaust gas via a second exhaust manifold (8, 8.1) of the respective cylinder group (2, 3) Exhaust gas can be fed to the respective second exhaust gas turbocharger (9, 9.1) of the respective cylinder group (2, 3), the exhaust manifolds (6, 6.1, 8, 8.1) per cylinder group (2, 3) each having one exhaust gas turbocharger (7, 7.1, 9, 9.1) of the respective cylinder group (2, 3) can be connected, which can be acted upon in a controllable or regulatable manner by means of a respective overflow valve (12, 13) with the exhaust gas flow, characterized in that the respective overflow valve (12, 13) in the Exhaust manifolds (6, 6.1, 8, 8.1) of the respective cylinder group (2, 3) is arranged, with opening and closing of the overflow valves (12, 13) with opening and/or closing of control valves (10, 11) of the exhaust gas turbochargers ( 7, 7.1, 9, 9.1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindergruppen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine with a plurality of cylinder groups according to the preamble of claim 1.
Bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge wird es als eine besonders wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen angesehen, den Hubraum zu reduzieren und die Leistung über eine sogenannte Aufladung der Brennkraftmaschine, allgemein als „downsizing“ bezeichnet, zu erreichen zu suchen. Insbesondere wenn diese Maßnahme mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs verbunden wird, kann so eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie eine deutliche Senkung der CO2-Emissionen erreicht werden. Aus dem Stand der Technik sind dazu eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten bekannt, die sich zum Teil auch mit den Besonderheiten beim Betrieb der für die Aufladung notwendigen Lader, insbesondere der Abgasturbolader auseinandersetzen.In the case of internal combustion engines for motor vehicles, it is considered a particularly effective measure for reducing fuel consumption and CO 2 emissions to reduce displacement and try to achieve power by so-called supercharging of the internal combustion engine, generally referred to as "downsizing". In particular, if this measure is combined with direct injection of the fuel, a significant reduction in fuel consumption and a significant reduction in CO 2 emissions can be achieved. A large number of possible solutions are known from the prior art, some of which also deal with the special features of the operation of the charger required for charging, in particular the exhaust gas turbocharger.
In der
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In der
In der
In der
Weitere individuelle Lösungen für den Betrieb von aufgeladenen Brennkraftmaschinen werden in der
Die
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine weiter in ihrem Betriebsverhalten verbesserte Abgasaufladung über alle Betriebszustände hinweg bei gleichzeitiger Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Senkung der CO2-Emissionen zu erreichen.Proceeding from this state of the art, the invention is based on the object of achieving exhaust gas supercharging that is further improved in its operating behavior over all operating states while at the same time reducing fuel consumption and lowering CO 2 emissions.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1.The invention solves this problem with an internal combustion engine according to claim 1.
Die Überströmventile sind in den Abgaskrümmern angeordnet. Die Steuerung bzw. Regelung der Überströmventile beim zu den Abgasturboladern führenden Abgasstrom erfolgt dabei in Zusammenwirken mit einer entsprechenden Ventilsteuerung des bzw. der Abgasturbolader.The overflow valves are located in the exhaust manifolds. The control or regulation of the overflow valves in the exhaust gas flow leading to the exhaust gas turbochargers takes place in cooperation with a corresponding valve control of the exhaust gas turbocharger or turbochargers.
Bei einer solchen Lösung kann mittels der Überströmventile abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Abgas lediglich einem oder beiden Abgasturboladern in den Abgassträngen pro Zylindergruppe zugeführt werden.In such a solution, depending on the operating state of the internal combustion engine, the exhaust gas can only be fed to one or both exhaust gas turbochargers in the exhaust lines per cylinder group by means of the overflow valves.
In Verbindung mit der Offen- und/oder Schließstellung der Überströmventile erfolgt das Öffnen bzw. Schließen der Regelventile des/der Abgasturbolader. So wird ein besonders schneller Hochlauf des zunächst nicht beaufschlagten Abgasturboladers dadurch erreicht, dass bei geschlossenen Regelventilen für diesen Abgasturbolader das Überströmventil geöffnet wird.The control valves of the exhaust gas turbocharger(s) are opened or closed in connection with the open and/or closed position of the overflow valves. A particularly rapid run-up of the exhaust gas turbocharger, which is initially not acted upon, is achieved in that the overflow valve is opened when the control valves for this exhaust gas turbocharger are closed.
So ist ein besonders bevorzugter Betrieb darin zu sehen, dass im Teillastbetrieb oder im Stationärbetrieb oder auch im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine in einem unteren Drehzahlbereich die Überströmventile zum ausschließlichen Beaufschlagen eines der Abgasturbolader komplett geschlossen sind.A particularly preferred mode of operation can be seen in the fact that the overflow valves are used exclusively for pressurizing in part-load operation or in stationary operation or also in full-load operation of the internal combustion engine in a lower speed range gene of one of the exhaust gas turbochargers are completely closed.
Bei Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine in einem mittleren oder oberen Drehzahlbereich können vorzugsweise die Überströmventile zur Beaufschlagung beider Turbolader öffenbar sein.When the internal combustion engine is operating under full load in a medium or upper speed range, the overflow valves can preferably be openable in order to apply pressure to both turbochargers.
Bei geschlossenem Überströmventil und geschlossenen Regelventilen eines der beiden Turbolader für eine der beiden Zylindergruppen, z.B. in der Startphase der Brennkraftmaschine, wird lediglich einer der Turbolader beaufschlagt.When the overflow valve and control valves of one of the two turbochargers for one of the two cylinder groups are closed, e.g. in the starting phase of the internal combustion engine, only one of the turbochargers is acted upon.
Bei Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine sind die Überströmventile geöffnet; für den oder die regelbaren Abgasturbolader werden die Abgasstrom-Bypass-Ventile geschlossen und das Ventil im Abstrombereich des Abgasturboladers geöffnet. In diesem Betriebszustand sind beide Abgasturbolader mit dem jeweils vollen Abgasstrom über die ihnen jeweils zugeordneten Abgaskrümmer beaufschlagt und in vollem Betriebszustand.When the internal combustion engine is operating under full load, the overflow valves are open; for the one or more controllable exhaust gas turbochargers, the exhaust gas flow bypass valves are closed and the valve in the outflow area of the exhaust gas turbocharger is opened. In this operating state, both exhaust gas turbochargers are acted upon by the respective full exhaust gas flow via the exhaust manifold assigned to them and are in full operating state.
Bei einer solchen Lösung mit jeweils zwei Abgasturboladern und separater Abgasführung zu den Abgasturboladern pro Zylindergruppe ist es denkbar, dass lediglich einer der beiden Abgasturbolader über Ventilsteuerungen regelbar ist, z.B. über ein Bypass-Ventil zur Umleitung von Abgasstrom um den Abgasturbolader herum bzw. einem Sperrventil zur Abführung des Abgases nach dessen Aufladung im regelbaren Abgasturbolader.With such a solution, each with two exhaust gas turbochargers and separate exhaust gas routing to the exhaust gas turbochargers per cylinder group, it is conceivable that only one of the two exhaust gas turbochargers can be controlled via valve controls, e.g. via a bypass valve to divert the exhaust gas flow around the exhaust gas turbocharger or a shut-off valve for Dissipation of the exhaust gas after its charging in the controllable exhaust gas turbocharger.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung gezeigt und beschrieben. Anhand dieses Ausführungsbeispiels sollen Merkmale, bevorzugte Weiterbildungen und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes näher erläutert werden.In the drawing, an embodiment of the subject invention is shown and described. Features, preferred developments and details of the subject matter of the invention are to be explained in more detail on the basis of this exemplary embodiment.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel mit z.B. sechs Zylindern beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch an einer Brennkraftmaschine mit zwei separaten Zylindergruppen umgesetzt werden, wenn diese zwei, vier oder auch mehr Zylinder in z.B. V-, W- oder auch Reihe- oder Boxeranordnung umfassen.However, the invention is not limited to the embodiment shown and described, for example with six cylinders. Rather, the invention can also be implemented on an internal combustion engine with two separate cylinder groups if these include two, four or even more cylinders in a V, W or in-line or boxer arrangement, for example.
Die Zeichnung zeigt lediglich eine schematische Darstellung des Erfindungsgegenstandes, bezogen auf den Verlauf der Abgasströme vom Zylinderaustritt bis nach Aufladung durch Abgasturbolader.Es zeigt:
-
1 den Erfindungsgegenstand bei einer z.B. 6-zylindrigen Brennkraftmaschine. -
2 einen ersten Betriebszustand im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung; -
3 einen zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine nach2 ; -
4 einen dritten Betriebszustand einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung entsprechend2 ; -
5 die Anordnung eines Überströmventils am Gegenstand nach der Erfindung in den Abgaskrümmern/Zuleitung zu den Abgasturboladern und -
6 die Anordnung des Überströmventils zwischen den beiden Abgaskrümmern.
-
1 the subject of the invention in a 6-cylinder internal combustion engine, for example. -
2 a first operating state in the exhaust system of an internal combustion engine according to the invention; -
3 a second operating state of theinternal combustion engine 2 ; -
4 corresponding to a third operating condition of an internal combustion engine according to theinvention 2 ; -
5 the arrangement of an overflow valve on the object according to the invention in the exhaust manifolds / supply line to the exhaust gas turbochargers and -
6 the arrangement of the overflow valve between the two exhaust manifolds.
Eine Brennkraftmaschine 1 mit zwei jeweils 3-zylindrigen Zylindergruppen 2 und 3 weist in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise bei jedem der Zylinder zwei Einlassventile und ebenfalls bei jedem der Zylinder zwei Auslassventile 4 und 5 auf. Die Auslassventile 4 bzw. 4.1 aller drei Zylinder sind über einen gemeinsamen Abgaskrümmer 6 bzw. 6.1 hinsichtlich des Abgasstroms nach dem Verbrennungsvorgang im Zylinder verbunden. Ebenso sind die Auslassventile 5 bzw. 5.1 aller drei Zylinder über einen gemeinsamen Abgaskrümmer 8 bzw. 8.1 in Reihe miteinander verbunden.An internal combustion engine 1 with two 3-
Der gemeinsame Abgaskrümmer 6 der Auslassventile 4 der ersten Zylindergruppe 2 ist mit einem ersten Abgasturbolader 7 verbunden; der Abgaskrümmer 8 der ersten Zylindergruppe 2, in den die aus den Auslassventilen 5 nach dem Verbrennungsvorgang ausströmenden Abgase einströmen, ist mit einem zweiten Abgasturbolader 9 verbunden.The
In entsprechender Weise sind die Auslassventile 4.1 bzw. 5.1 der zweiten Zylindergruppe 3 mit gemeinsamen Abgaskrümmern 6.1 bzw. 8.1 verbunden und führen entsprechend das Abgas einem ersten Turbolader 7.1 der zweiten Zylindergruppe 3 und einem zweiten Abgasturbolader 9.1 der zweiten Zylindergruppe 3 zu.In a corresponding manner, the exhaust valves 4.1 and 5.1 of the
Alle - oder jeweils auch nur einer - der Abgasturbolader 7, 7.1 bzw. 9 und 9.1 können in aus dem Stand der Technik bekannter Weise ventilgeregelt sein, z.B. über ein „Bypass“-Ventil und ein im Abstrom des Abgasturboladers angeordnetes Sperrventil.All - or just one - of the
Das in den Abgasturboladern 7, 7.1, 9, 9.1 entsprechend aufgeladene Abgas wird - ggf. nach Kühlung - in bekannter Weise dem über die Einlassventile den Brennräumen zugeführten Kraftstoff-/Luftgemisch verdichtet wieder zugeführt oder über ebenfalls in bekannter Weise angeordnete Katalysatoren Kat 1-3, Kat4-6 und über die Abgasanlage ESD 1-3, ESD 4-6 abgeführt.The exhaust gas correspondingly charged in the
Die Funktionsweise des Gegenstandes der Erfindung ist anhand der
In einem ersten Betriebszustand (siehe
Der zweite Abgaskrümmer 8 ist in diesem Betriebszustand ohne Abgas bzw. nur mit einer sehr geringen Abgasmenge beaufschlagt.In this operating state, the
Abgaskrümmer 8 sind - idealerweise Abgasturbolader-nah - über ein die beiden Abgaskrümmer 6 und 8 verbindendes Überströmventil 12 verbunden. Das Überströmventil 12 ist mit einer Überströmklappe 13 versehen, um das Hochfahren des stillstehenden bzw. im Leerlauf betriebenen Abgasturboladers 9 z.B. bei Beschleunigungsvorgängen zu beschleunigen. Bei geöffneten Auslassventil 4 und weiterhin geschlossenen oder nur teilgeöffnetem Auslassventil 5 kann die Überströmklappe 13 des Überströmventils 12 im Abgaskrümmer 8 bei weiterhin geschlossenem „Waste-Gate“-Ventil 10 und ebenfalls geschlossenem Sperrventil 11 geöffnet werden, so dass der zweite Abgasturbolader 9 mit über den Abgaskrümmer 6 in den Abgaskrümmer 8 geführtem Abgas beaufschlagt und damit hochgefahren wird. Das zum Hochfahren des zweiten Abgasturboladers 9 zugeführte Abgas wird nach dem Turbolader 7 dem durch diesem aufgeladenen Abgas zugeführt und in den Verbrennungsvorgang eingespeist.
Ein dritter Betriebszustand wird nachstehend anhand
- Im Volllastbetrieb sind beide
Auslassventile 4 und 5 mit Vollhub geöffnet; dieÜberströmklappe 13 desÜberströmventils 12 ist geschlossen, so dass der Abgasstrom über dieAuslassventile 4 ausschließlich über denAbgaskrümmer 6 demersten Abgasturbolader 7 und der Abgasstrom derAuslassventile 5 ausschließlich über denzweiten Abgaskrümmer 8 demzweiten Abgasturbolader 9 zugeführt wird. In diesem Betriebszustand sind beideAbgasturbolader 7 bzw. 9 in vollem Betrieb. Für diesen Vollbetrieb ist das „Waste-Gate“-Ventil 10 beim geregelten Abgasturbolader 9 weiterhin geschlossen,während das Sperrventil 11 zur Abfuhr des aufgeladenen Gases voll geöffnet ist.
- In full-load operation, both
4 and 5 are open with full lift; theexhaust valves overflow flap 13 of theoverflow valve 12 is closed, so that the exhaust gas flow via theoutlet valves 4 is fed exclusively via theexhaust manifold 6 to the firstexhaust gas turbocharger 7 and the exhaust gas flow from theoutlet valves 5 is fed exclusively via thesecond exhaust manifold 8 to the secondexhaust gas turbocharger 9. In this operating state, both 7 and 9 are in full operation. For this full operation, the "waste gate"exhaust gas turbochargers valve 10 in the regulatedexhaust gas turbocharger 9 remains closed, while thecheck valve 11 for discharging the supercharged gas is fully open.
Es versteht sich von selbst, dass in Abhängigkeit von der Stellung der Auslassventile 4 bzw. 5, der Öffnungs- bzw. Schließstellung der Überströmklappe 13 des Überströmventils 12 sowie der Öffnungs- bzw. Schließstellung der Regelventile 10 bzw. 11 des Abgasturboladers 9 weitere Betriebszustände für die Abgasaufladung eingestellt werden können.It goes without saying that depending on the position of the
Zusätzlich zur Regelung des Abgasturboladers 9 über die Ventile 10 bzw. 11 kann auch der Abgasturbolader 7 über Ventile entsprechend geregelt werden.In addition to the regulation of the
Entsprechend der vorstehenden Betriebszustandsbeschreibung anhand der
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 22
- Zylindergruppe 1Cylinder group 1
- 33
-
Zylindergruppe 2
Cylinder group 2 - 4, 4.14, 4.1
- Auslassventiloutlet valve
- 5, 5.15, 5.1
- Auslassventiloutlet valve
- 6, 6.16, 6.1
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 7, 7.17, 7.1
- erster Abgasturboladerfirst exhaust gas turbocharger
- 8, 8.28, 8.2
- Abgaskrümmerexhaust manifold
- 9, 9.19, 9.1
- zweiter Abgasturboladersecond exhaust gas turbocharger
- 1010
- „Waste-Gate“-Ventil“Waste Gate” valve
- 1111
- Sperrventilcheck valve
- 1212
- Überströmventiloverflow valve
- 1313
- Überstromklappeovercurrent flap
Claims (4)
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