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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, umfassend eine Anzahl von Zylindern, wobei jeder der Zylinder zumindest eine mittels eines Einlassventils öffnenbare und schließbare Einlassöffnung sowie zumindest eine mittels eines Auslassventils öffnenbare und schließbare Auslassöffnung aufweist, einen Abgaskrümmer mit einer der Anzahl der Auslassöffnungen entsprechenden Anzahl von Krümmerleitungen, wobei an jede der Auslassöffnungen eine der Krümmerleitungen angeschlossen ist und wobei die Krümmerleitungen in eine Gesamtabgasleitung münden, und zumindest einen Abgasturbolader mit einer Turbine, die an die Gesamtabgasleitung angeschlossen ist.
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Brennkraftmaschinen, die mindestens einen Abgasturbolader aufweisen, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Aufladung der Brennkraftmaschine mittels mindestens eines Abgasturboladers ermöglicht es, die Masse der Brennkraftmaschine zu reduzieren, da bei vergleichbarer Leistung kleinere Hubräume verwendet werden können und/oder die Anzahl der Zylinder reduziert werden kann. Ferner wird durch kleinere Hubräume die innere Reibung der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise reduziert. Die Aufladung der Brennkraftmaschine stellt somit eine wirksame Möglichkeit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen dar.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt, um das Anfahrverhalten einer mittels mindestens eines Abgasturboladers aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern beziehungsweise den dynamischen Ladedruck/Lastaufbau zu beschleunigen, um dadurch insbesondere das so genannte „Turboloch“ während des Anfahrens zu vermeiden. Zu diesen Maßnahmen zählt zum Beispiel das so genannte „Scavenging“, bei dem sich die Öffnungszeiten des Einlass- und Auslassventils eines Zylinders teilweise überschneiden. Dadurch kann die Effektivität der Kraftstoffverbrennung verbessert werden, so dass das Drehmoment und die Leistung der Brennkraftmaschine erhöht werden können. Ferner ist es zum Beispiel auch möglich, die Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasturboladern pro Zylindergruppe auszustatten, die in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein können (so genannte Registeraufladung).
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Um das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb oder Volllastbetrieb im unteren Drehzahlbereich zu verbessern, erweist sich eine so genannte Stoßaufladung an der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers als vorteilhaft. Diese Stoßaufladung wird durch ein möglichst geringes Strömungsvolumen des Auslasskrümmers und der Gesamtabgasleitung bis zur Turbine des Abgasturboladers begünstigt.
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Für eine Verbesserung des Wirkungsgrades im mittleren bis hohen Drehzahlbereich, insbesondere bei einem Volllastbetrieb, ist eine Stauaufladung an der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vorteilhaft. Dadurch wird die Stoßbeanspruchung der Turbine reduziert, so dass auch im Volllastbetrieb eine ausgewogene Aufladung erreicht werden kann. Ein größeres Strömungsvolumen der Abgase von den Auslassöffnungen der Zylinder bis zu der Turbine ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft.
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Um zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung an der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers umschalten zu können, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Lösungsansätze bekannt.
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Die
DE 199 05 637 C1 , die
US 8,769,948 B2 , die
DE 60 2004 013 230 T2 , sowie die
DE 10 2012 220 206 A1 offenbaren die Möglichkeit, ein festes oder variables Zusatzvolumen durch Öffnen eines Verschlussorgans bei Bedarf zuzuschalten. Die Zuschaltung dieses Zusatzvolumens erfolgt bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine, um dadurch die Stauaufladung an der Turbine des Abgasturboladers zu erhöhen. Zur Verbesserung der Stoßaufladung bleibt das Ventilmittel bei niedrigen Drehzahlen geschlossen, so dass das Zusatzvolumen nicht zugeschaltet ist.
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Die
DE 10 2012 023 118 A1 und die
DE 20 2014 100 168 U1 offenbaren eine Brennkraftmaschine mit zwei an die Auslassöffnungen angeschlossenen Krümmern, die in zwei Betriebszuständen betrieben werden kann. In einem ersten Betriebszustand strömen die Abgase durch beide Krümmer. In einem zweiten Betriebszustand strömen die Abgase nur durch einen der beiden Krümmer. Im ersten Betriebszustand ist eine Stauaufladung der Brennkraftmaschine eingestellt und im zweiten Betriebszustand wird durch eine Verkleinerung des Strömungsvolumens eine Stoßaufladung erhalten. Durch selektives Zu- beziehungsweise Abschalten des zweiten Krümmers ist somit ein Wechsel zwischen einer Stauaufladung und einer Stoßaufladung an der Turbine möglich.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der eine Umschaltung zwischen einer Stoßaufladung und einer Stauaufladung an der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers auf alternative Weise realisiert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Gesamtabgasleitung einen ersten Gesamtabgasleitungsabschnitt und einen zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt umfasst, wobei der zweite Gesamtabgasleitungsabschnitt ein Verschlussorgan aufweist, das zum selektiven Öffnen und Schließen des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts eingerichtet ist. Die zweite Gesamtabgasleitung bildet somit ein zusätzliches Strömungsvolumen für die heißen Abgase der Brennkraftmaschine, das bei Bedarf zugeschaltet werden kann. Bei geringen Drehzahlen der Brennkraftmaschine ist eine Stoßaufladung an der Turbine des Abgasturboladers besonders vorteilhaft. Um den Stoßaufladungseffekt zu verstärken, wird das zusätzliche Strömungsvolumen durch das Schließen des Verschlussorgans des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts deaktiviert, so dass es insgesamt zu einer Verkleinerung des abgasführenden Volumens vor der Turbine kommt. Bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine wird das Verschlussorgan des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts geöffnet, so dass das abgasführende Volumen vor der Turbine vergrößert wird. Daraus resultieren eine Absenkung der mittleren Abgastemperatur sowie eine Verstärkung der Stauaufladung, so dass der Kraftstoffverbrauch bei höheren Drehzahlen in vorteilhafter Weise verringert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Verschlussorgan so ausgebildet ist, dass es den zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt teilweise freigeben kann. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, unterschiedliche Zwischenstufen zwischen der Stoß- und Stauaufladung zu erhalten. Das Verschlussorgan kann insbesondere ein Stellglied umfassen, das so ausgebildet ist, dass das Strömungsvolumen innerhalb des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts kontinuierlich beziehungsweise quasi-kontinuierlich eingestellt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass der zweite Gesamtabgasleitungsabschnitt zumindest ein separat zuschaltbares Zusatzvolumen aufweist, das mittels mindestens eines weiteren Verschlussorgans selektiv freigegeben oder geschlossen werden kann. Dadurch können ebenfalls unterschiedliche Zwischenstufen zwischen der Stoß- und der Stauaufladung realisiert werden.
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Vorzugsweise können die beiden Gesamtabgasleitungsabschnitte so ausgebildet sein, dass sie bis zu einem Turbinenrad der Turbine strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Dadurch kann ein Übergang des Abgasstroms zwischen den beiden Gesamtabgasleitungsabschnitten in vorteilhafter Weise verhindert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Turbine zweiflutig ausgebildet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste Gesamtabgasleitungsabschnitt an eine erste Flut der Turbine angeschlossen ist und der zweite Gesamtabgasleitungsabschnitt an eine zweite Flut der Turbine angeschlossen ist. Vorzugsweise kann die erste Flut der Turbine zur Erhöhung des Stoßaufladungseffekts ein kleineres Strömungsvolumen als die zweite Flut aufweisen, welche zur Erhöhung des Stauaufladungseffekts vorzugsweise nur bei höheren Drehzahlen durch Zuschaltung des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts von den Abgasen durchströmt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Turbine als Zwillingsstromturbine ausgeführt ist. Zwillingsstromturbinen haben den Vorteil, dass sie mit kleineren Strömungsquerschnitten arbeiten können, was sich insbesondere auf die Stoßaufladung positiv auswirkt. Bei einer Zwillingsstromturbine sind die beiden Fluten nebeneinander angeordnet und die Abgase werden über den vollen Umfang des Turbinenrades zugeführt.
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In einer alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Turbine als Doppelstromturbine ausgeführt ist. Dadurch kann der Einfluss der Stoßaufladung im Vergleich zu einer Zwillingsstromturbine weiter vergrößert werden. Bei einer Doppelstromturbine erfolgt die Strömung der Abgase in den beiden Fluten auf einem Teilumfang des Turbinenrades. Die Doppelstromturbine kann eine variable Turbinengeometrie mit einer Anzahl verstellbarer Strömungsleitschaufeln aufweisen. Mittels der verstellbaren Strömungsleitschaufeln kann das Aufstauverhalten der in die Turbine einströmenden Abgase gezielt variiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die eine schematisch stark vereinfachte Ansicht einer Zylindergruppe 2 einer Brennkraftmaschine 1 zeigt.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist mindestens eine Zylindergruppe 2 mit einer Anzahl nebeneinander beziehungsweise hintereinander angeordneter Zylinder 3 sowie einen Abgasturbolader 4 auf. Die Brennkraftmaschine 1 kann in Reihenbauweise, V-Bauweise, W-Bauweise oder in Boxer-Bauweise ausgeführt sein. Die in 1 gezeigte Zylindergruppe 2 kann insbesondere eine von zwei Zylindergruppen 2 einer Brennkraftmaschine in V-Bauweise sein. Vorzugsweise kann jeder der Zylindergruppen 2 ein eigener Abgasturbolader 4 zugeordnet sein. Grundsätzlich kann die Brennkraftmaschine 1 jedoch auch einen gemeinsamen Abgasturbolader 4 für mehrere Zylindergruppen 2 aufweisen. Jeder der Zylinder 3 weist in an sich bekannter Weise zumindest eine mittels eines Einlassventils öffnenbare und schließbare Einlassöffnung sowie zumindest eine mittels eines Auslassventils öffnenbare und schließbare Auslassöffnung auf.
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Der Abgasturbolader 4 umfasst in an sich bekannter Weise eine Turbine 40, die vorliegend als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist und über eine drehbare Welle 41 mit einem Verdichter 42 in Wirkverbindung steht. Vorzugsweise ist die Turbine 40 zweiflutig, insbesondere als Zwillingsstromturbine oder als Doppelstromturbine, ausgebildet. Der über die Welle 41 antreibbare Verdichter 42 ist Teil eines Luftansaugsystems der Brennkraftmaschine 1, welches darüber hinaus eine Luftansaugleitung 6 umfasst, die in einen Einlasskrümmer 7 mit einer der Anzahl der Einlassöffnungen entsprechenden Anzahl von Krümmerleitungen 70, 71, 72 mündet. An jede der Einlassöffnungen ist eine der Krümmerleitungen 70, 71, 72 angeschlossen. Stromaufwärts zweigt vor dem Verdichter 42 eine Bypassleitung 45 mit einem Verschlussorgan 46 ab. Das Verschlussorgan 46 kann bei Bedarf geöffnet werden, um Ansaugluft an dem Verdichter 42 vorbeizuführen.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner einen Abgaskrümmer 5 mit einer der Anzahl der Auslassöffnungen entsprechenden Anzahl von Krümmerleitungen 50, 51, 52 auf, wobei an jede der Auslassöffnungen eine der Krümmerleitungen 50, 51, 52 angeschlossen ist.
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Die Krümmerleitungen 50, 51, 52 münden in eine Gesamtabgasleitung 53, mittels derer der Turbine 40 des Abgasturboladers 4 heiße Abgase zugeführt werden können.
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Die Gesamtabgasleitung 53 weist einen ersten Gesamtabgasleitungsabschnitt 54 und einen zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 auf. Zum selektiven Öffnen beziehungsweise Schließen des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts 55 ist innerhalb des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts 55 ein Verschlussorgan 56 angeordnet. Die beiden Gesamtabgasleitungsabschnitte 54, 55 erstrecken sich bis zu einem Turbinenrad der Turbine 40 und sind vorzugsweise strömungstechnisch voneinander getrennt.
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Stromaufwärts zweigt vor der Turbine 40 eine Bypassleitung 43 mit einem Verschlussorgan 44 ab. Durch Öffnen des Verschlussorgans 44 können Abgase an der Turbine 40 vorbeiströmen, wenn der Abgasmassenstrom einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Nachfolgend soll der Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erläutert werden. Bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 ist eine Stoßaufladung an der Turbine 40 günstig. Zur Verstärkung des Stoßaufladungseffektes ist es vorteilhaft, wenn die Abgase ein möglichst geringes Strömungsvolumen passieren. Dieses wird dadurch erreicht, dass das Verschlussorgan 56 in dem zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 geschlossen wird. Die heißen Abgase passieren während ihres Strömungsweges zur Turbine 40 also ausschließlich den ersten Gesamtabgasleitungsabschnitt 54 des Abgaskrümmers 5, der in eine erste Flut 400 der Turbine 40 mündet.
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Bei mittleren und hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 ist eine Stauaufladung an der Turbine 40 vorteilhaft. Zur Verstärkung des Stauaufladungseffektes ist es günstig, wenn die Abgase ein möglichst großes Strömungsvolumen passieren. Dieses wird dadurch erreicht, dass das Verschlussorgan 56 in dem zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 geöffnet wird. Die heißen Abgase passieren während ihres Strömungsweges zur Turbine 40 den ersten Gesamtabgasleitungsabschnitt 54, der in die erste Flut 400 der Turbine 40 mündet, sowie den zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 des Abgaskrümmers 5, der in eine zweite Flut 401 der Turbine 40 mündet. Vorzugsweise weist die erste Flut 400 ein kleineres Strömungsvolumen als die zweite Flut 401 der Turbine 40 auf.
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Vorzugsweise ist das Verschlussorgan 56 zum selektiven Öffnen und Schließen des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts 55 so ausgebildet, dass es den Strömungsdurchgang durch den zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 nur teilweise freigibt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, unterschiedliche Zwischenstufen zwischen der Stoß- und Stauaufladung an der Turbine 40 zu erreichen.
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Denkbar ist ferner, dass der zweite Gesamtabgasleitungsabschnitt 55 ein oder mehrere Zusatzvolumina aufweist, die über diesen zugeordnete zusätzliche Verschlussorgane selektiv geöffnet beziehungsweise verschlossen werden können. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Größe des Strömungsvolumens innerhalb des zweiten Gesamtabgasleitungsabschnitts 55 gezielt zu variieren, so dass dadurch die Einstellung unterschiedlicher Zwischenstufen zwischen Stoßaufladung und Stauaufladung an der Turbine 40 ebenfalls möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19905637 C1 [0007]
- US 8769948 B2 [0007]
- DE 602004013230 T2 [0007]
- DE 102012220206 A1 [0007]
- DE 102012023118 A1 [0008]
- DE 202014100168 U1 [0008]
