DE102015207539B4 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und parallel angeordneten Turbinen und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit mindestens drei Zylindern (1, 2, 3, 4) und einem Ansaugsystem (6) zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der
- jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (15) anschließt,
- mindestens zwei Abgasturbolader (7, 8) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (7, 8) eine im Abgasabführsystem (15) angeordnete Turbine (7a, 8a) und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter (7b, 8b) umfasst,
- mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist,
- die Abgasleitungen (5a) der Zylinder (1, 4) der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (16a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (15a) zusammenführen, welche mit der Turbine (7a) eines ersten Abgasturboladers (7) verbunden ist,
- die Abgasleitungen (5b) der Zylinder (2, 3) der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (16b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (15b) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) eines zweiten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und
- eine Abgasrückführung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste Verdichter (7b) des ersten Abgasturboladers (7) stromabwärts des zweiten Verdichters (8b) des zweiten Abgasturboladers (8) im Ansaugsystem (6) angeordnet ist, und
- der erste Abgaskrümmer (16a) via Verbindungsleitung (9) mit dem zweiten Abgaskrümmer (16b) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (9) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom ersten Abgaskrümmer (16a) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in den zweiten Abgaskrümmer (16b) mündet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens drei Zylindern und einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern, bei der
• - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
• - mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist,
• - die Abgasleitungen der Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist,
• - die Abgasleitungen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
• - eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
• Die europäische Patentanmeldung EP 1 640 597 A1 beschreibt eine aufgeladene Brennkraftmaschine, die mit zwei Abgasturboladern und einer Abgasrückführung ausgestattet ist. Dabei ist die Turbine eines ersten Abgasturboladers mit dem Abgaskrümmer einer ersten Zylindergruppe verbunden und die Turbine eines zweiten Abgasturboladers mit dem Abgaskrümmer einer zweiten Zylindergruppe. Die Verdichter sind in Reihe angeordnet und die Abgaskrümmer via Verbindungsleitung miteinander verbunden.
• Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2011 120 337 A1 beschreibt ebenfalls eine mittels Abgasturboaufladung zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine, bei der die Turbinen parallel im Abgasabführsystem angeordnet sind und die mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist.
• Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2004 035 323 A1 beschreibt eine mittels zwei Abgasturboladern aufladbare Brennkraftmaschine, wobei die Turbinen parallel im Abgasabführsystem und die Verdichter parallel im Ansaugsystem angeordnet sind. Mindestens ein Zylinder ist im Betrieb der Brennkraftmaschine im Rahmen einer Teilabschaltung abschaltbar.
• Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, 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.
• Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine mittels Abgasturbolaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine. Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine 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.
• Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart umgehen zu können.
• 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. Wird der Hubraum reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
• Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht.
• Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei einer fremdgezündeten Brennkraftmachine. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens drei Zylinder, d. h. Brennräume. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
• Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmachine entwickelt.
• Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
• Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert.
• Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine 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 zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
• Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
• Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder aufgrund der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
• 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 - wie vorstehend beschrieben - mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades.
• 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.
• Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
• Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-LuftGemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
• Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf, wie im Folgenden kurz und beispielhaft am Dieselmotor erläutert wird.
• Wird bei einem direkteinspritzenden Dieselmotor zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt.
• Um den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten abzuhelfen, kann es zielführend sein, einlassseitig und auslassseitig schaltbare Ventiltriebe vorzusehen, mit denen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung geschlossen gehalten werden und somit nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen.
• Schaltbare Ventiltriebe können aber bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen wie der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern ausgelegt ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine infolge des fehlenden Massenstroms durch die abgeschalteten Zylinder. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem in der Regel auch das Turbinendruckverhältnis. Ein abnehmendes Turbinendruckverhältnis hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt, und den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern nur wenig Ladeluft zugeführt wird bzw. weniger Ladeluft als beabsichtigt. Zu berücksichtigen ist dabei insbesondere, dass den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern bei Teilabschaltung deutlich mehr Ladeluft zuzuführen ist, da die in Betrieb befindlichen Zylinder bei konstanter Motorleistung die fehlende Leistung der abgeschalteten Zylinder ersetzen, d. h. kompensieren müssen. Der geringe Ladeluftstrom kann auch dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
• Den bei Teilabschaltung durch die Zylinder der Brennkraftmaschine geführten Gesamtmassenstrom wieder dadurch zu erhöhen, dass die abgeschalteten Zylinder doch weiter am Ladungswechsel teilnehmen, ist nicht zielführend, da die durch die abgeschalteten Zylinder geführte kühlere Ladeluft die Enthalpie des der Turbine zur Verfügung gestellten Abgasstromes erheblich mindert. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Abgasenthalpie der heißen Abgase maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird. Die Abgasmasse ist folglich nicht der einzig relevante Aspekt bei der Betrachtung der in Rede stehenden Problematik.
• Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Lastbereiches, in welchem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Eine verminderte Ladeluftmenge, die den während der Teilabschaltung in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführt wird, mindert die Effektivität bzw. die Güte der Verbrennung und wirkt sich nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen aus.
• Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
• Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte auch dadurch erhöht werden, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet wird, die eine Anpassung des wirksamen Turbinenquerschnittes an den momentanen Abgasstrom gestattet. Dann würde sich aber gleichzeitig der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine erhöhen, was wiederum zu höheren Ladungswechselverlusten bei den noch in Betrieb befindlichen Zylindern führt.
• Aus den vorstehend genannten Gründen werden Brennkraftmaschinen der in Rede stehenden Art gemäß dem Stand der Technik häufig auch mit mehreren parallel angeordneten Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt ausgestattet, wobei mit steigender Last nicht nur Zylinder, sondern mit den Zylindern auch Turbinen - ähnlich einer Registeraufladung - sukzessive zugeschaltet werden. Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen teilabschaltbaren Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, wobei der Einsatz mehrerer Lader bzw. Turbinen immer mit dem Nachteil einer erhöhten Reibleistung behaftet ist und mehrere Turbolader einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad aufweisen als ein einzelner Abgasturbolader.
• Vorliegend ist jeder Zylindergruppe eine Turbine zugeordnet. Die Abgasleitungen der Zylinder der ersten Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammen, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist, und die Abgasleitungen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei das Teilstück der Gesamtabgasleitung stromaufwärts einer Turbine erfindungsgemäß als zum Krümmer gehörend angesehen wird.
• Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Drehmomentcharakteristik und der Teilabschaltung weiter optimiert ist.
• Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
• Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens drei Zylindern und einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern, bei der
• - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
• - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
• - mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist,
• - die Abgasleitungen der Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines ersten Abgasturboladers verbunden ist,
• - die Abgasleitungen der Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine eines zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
• - eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
• - der erste Verdichter des ersten Abgasturboladers stromabwärts des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist, und
• - der erste Abgaskrümmer via Verbindungsleitung mit dem zweiten Abgaskrümmer verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom ersten Abgaskrümmer abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in den zweiten Abgaskrümmer mündet.
• Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine Verbindungsleitung zwischen dem ersten Abgaskrümmer und dem zweiten Abgaskrümmer vorgesehen. Neben einer einstufigen Aufladung bei Teilabschaltung mittels ersten Abgasturboladers gestattet diese Verbindungsleitung eine einstufige Aufladung unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers in den Kennfeldbereichen, in denen sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind. Während bei Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik bei steigender Last der mindestens eine schaltbare Zylinder und mit diesem die zweite dem schaltbaren Zylinder zugeordnete Turbine zugeschaltet wird, ermöglicht die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ein Umschalten auf die zweite Turbine und damit eine einstufige Aufladung bzw. Verdichtung bei höheren Lasten und höheren Drehzahlen, bei denen sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind. Wie eingangs erwähnt, ist es hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades vorteilhafter, einen einzelnen Abgasturbolader anstelle mehrerer Turbolader zu verwenden, weshalb die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gegenüber dem Stand der Technik Vorteile im Wirkungsgrad aufweist.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht zudem ein Zuschalten der zweiten Turbine auch bei Teilabschaltung und damit eine zweistufige Aufladung bzw. Verdichtung bei Teilabschaltung. Die erste Turbine kann daher auf sehr geringe Abgasmengen ausgelegt und vergleichsweise klein dimensioniert werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss die erste Turbine nicht unter sämtlichen Betriebsbedingungen den Gesamtabgasstrom der ersten Zylindergruppe bewältigen können, da Abgas der ersten Gruppe via Verbindungsleitung an der ersten Turbine vorbei auch der zweiten Turbine zugeführt werden kann. Die Verbindungsleitung fungiert dabei wie eine Bypassleitung bzw. Abblaseleitung. Nichtsdestotrotz wird bei Teilabschaltung eine einstufige Aufladung bzw. Verdichtung unter Verwendung des ersten Abgasturboladers bevorzugt.
• Grundsätzlich gewährleistet die klein ausgelegte erste Turbine bei Teilabschaltung und sehr geringen Abgasmengen einen ausreichend hohen Ladedruck, weshalb den bei Teilabschaltung weiter in Betrieb befindlichen Zylindern auch ausreichend Ladeluft zugeführt werden kann. Ein Pumpen des ersten Verdichters lässt sich verhindern. Der Lastbereich, in welchem die Teilabschaltung effektiv eingesetzt werden kann, wird erweitert. Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine während der Teilabschaltung ist deutlich verbessert.
• Die vorstehend beschriebenen Vorteile einer kleinen ersten Turbine kommen auch zur Geltung, wenn sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Dann erfolgt eine zweistufige Aufladung bzw. Verdichtung unter Verwendung beider Abgasturbolader, wobei so viel Abgas an der ersten Turbine via Verbindungsleitung vorbeigeführt werden kann wie erforderlich.
• Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Drehmomentcharakteristik und der Teilabschaltung weiter optimiert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über mindestens eine Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet.
• Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen, ist ein geeignetes Mittel die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR / (m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte und gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Schalten realisiert werden kann. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.
• Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist. Bei Ausführungsformen, bei denen ein Gruppe nur einen Zylinder umfasst, der nur eine Auslassöffnung aufweist, führen die Abgasleitungen dieser Gruppe nicht im eigentlichen Sinne unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zusammen. Vielmehr bildet die eine Abgasleitung der einen Auslassöffnung den Krümmer und die zugehörige Gesamtabgasleitung.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine erste Bypassleitung vorgesehen ist,
• - die zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter vom Ansaugsystem abzweigt,
• - die stromabwärts des ersten Verdichters wieder in das Ansaugsystem einmündet, und
• - in der ein erstes Absperrelement angeordnet ist.
• Die erste Bypassleitung wird insbesondere in den Fällen genutzt, in denen sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind, kaum bzw. kein Abgas die erste Turbine durchströmt und die zweite, größere Turbine die Verdichterarbeit leistet, d. h. eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers erfolgt. Dann stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter komprimierte Ladeluft dar. Eine erste Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des ersten Verdichters und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems.
• Die erste Bypassleitung kann grundsätzlich auch zur Ladeluftabblasung dienen, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Ladeluft abgeblasen und zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Ladeluft dient dabei das erste Absperrelement in der ersten Bypassleitung.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist,
• - die stromaufwärts des zweiten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt,
• - die zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter wieder in das Ansaugsystem einmündet, und
• - in der ein zweites Absperrelement angeordnet ist.
• Die zweite Bypassleitung dient insbesondere dem Ansaugen von Frischluft und zwar in den Fällen, in denen kaum bzw. kein Abgas die zweite Turbine durchströmt und die erste, kleinere Turbine die Verdichterarbeit leistet, d. h. eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des ersten Abgasturboladers erfolgt. Dies trifft insbesondere während der Teilabschaltung zu, aber auch bei sehr niedrigen Drehzahlen, wenn sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine in Betrieb befindliche Zylinder sind. Dann stellt der zweite Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom ersten Verdichter angesaugte Frischluft dar. Eine zweite Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des zweiten Verdichters und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems.
• Die zweite Bypassleitung kann grundsätzlich auch zur Ladeluftabblasung dienen, wodurch die im zweiten Verdichter komprimierte Ladeluft zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Ladeluft dient dabei das zweite Absperrelement in der zweiten Bypassleitung.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine des ersten Abgasturboladers eine feste Turbinengeometrie aufweist. Eine feste Turbinengeometrie ist kostengünstiger und kann vorliegend für eine befriedigende Drehmomentcharakteristik ausreichend sein, da die erste Turbine vorzugsweise auf kleine Abgasmengen ausgelegt wird und überschüssiges Abgas ohne weiteres via Verbindungsleitung an der ersten Turbine vorbei und der zweiten Turbine zugeführt werden kann. Insofern kann die erste Turbine auch als originäre Waste-Gate-Turbine angesehen werden.
• Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine des ersten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
• Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. 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.
• Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt Leitschaufeln bzw. eine Leiteinrichtung vorgesehen sind.
• Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden Verbindungsleitung die Auslegung der ersten Turbine auf sehr kleine Abgasmengen. Folglich können bei Teilabschaltung auch bei sehr geringen Abgasmengen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers und dem ersten Knotenpunkt ein erstes turbinenseitiges Absperrelement angeordnet ist. Dieses Absperrelement gestattet durch Schließen die vollumfängliche Deaktivierung der ersten Turbine, falls eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers realisiert werden soll. Mit diesem ersten turbinenseitigen Absperrelement lässt sich aber auch die der ersten Turbine zugeführte Abgasmenge steuern, d. h. einstellen, insbesondere auch begrenzen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist. Es gilt das bereits im Zusammenhang mit der variablen Turbinengeometrie Gesagte. Eine Anpassung der Turbinengeometrie an den momentanen Abgasstrom wird möglich und damit eine zufriedenstellende Aufladung in einem weiten Drehzahl- und Lastbereich, d. h. bei stark variierenden Abgasmengen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers und dem zweiten Knotenpunkt ein zweites turbinenseitiges Absperrelement angeordnet ist. Dieses Absperrelement gestattet durch Schließen die vollumfängliche Deaktivierung der zweiten Turbine, falls eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des ersten Abgasturboladers realisiert werden soll, d. h. bei Teilabschaltung.
• Alternativ oder zusätzlich zu einem turbinenseitigen Absperrelement oder beiden turbinenseitigen Absperrelementen kann auch ein Absperrelement in der Verbindungsleitung angeordnet sein.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Ladeluftkühlung senkt die Temperatur und erhöht die Dichte der komprimierten Ladeluft und trägt damit zu einer weiteren Verdichtung und besseren Füllung der Zylinder bei. Eine Bypassleitung zur Umgehung des Ladeluftkühlers kann vorteilhaft sein, beispielsweise nach einem Kaltstart.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ein weiterer Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
• Der zwischen den Verdichtern angeordnete Ladeluftkühler senkt im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Temperatur der im zweiten Verdichter vorkomprimierten Ladeluft und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch die Verdichtung im ersten Verdichter verbessert wird und die Austrittstemperatur aus dem ersten Verdichter bei gleichem Gesamtdruckverhältnis der Aufladegruppe abgesenkt werden kann. Dies bietet auch einen Schutz vor thermischer Überbeanspruchung. Mittels Ladeluftkühler lässt sich aber auch das Gesamtdruckverhältnis der Verdichtergruppe steigern und damit die Leistung weiter erhöhen, d. h. die Leistungssteigerung weiter vorantreiben.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Bypassleitung zwischen dem weiteren Ladeluftkühler und dem ersten Verdichter in das Ansaugsystem einmündet.
• Dann wird die Ladeluft im Rahmen einer einstufigen Verdichtung im ersten Verdichter vor Eintritt in den ersten Verdichter nicht gekühlt, sondern nur im Rahmen der zweistufigen Verdichtung zwischen den Verdichtern.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine kleiner ausgelegt ist als die zweite Turbine. Die vorstehende Dimensionierung der Turbinen entspricht den unterschiedlichen Aufgaben der Turbinen und ihrer bevorzugten Verwendung.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter kleiner ausgelegt ist als der zweite Verdichter. Die vorstehende Dimensionierung der Verdichter korrespondiert mit der Dimensionierung der Turbinen.
• Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die zwei außenliegenden Zylinder und die zwei innenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein schaltbares Auslassventil ist, wobei ein abgeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung versperrt und ein zugeschaltetes Auslassventil die dazugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δt_2,ex freigibt und dabei einen Ventilhub Δh_2,ex ausbildet.
• Vorteilhaft können auch Ausführungsformen sein, bei denen jedes Auslassventil eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs eines Zylinders der zweiten Gruppe ein im Hinblick auf die Öffnungsdauer Δt_2,ex und/oder den Ventilhub Δh_2,ex verstellbares Auslassventil ist.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung ein Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet ist.
• Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Abgasturbolader und Abgasrückführung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einmündet. Bei dieser sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromaufwärts einer Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts eines Verdichters in das Ansaugsystem eingespeist, weshalb das Abgas vor Rückführung keiner Abgasnachbehandlung unterzogen, insbesondere keinem Partikelfilter zugeführt werden muss, da eine Verschmutzung des Verdichters nicht zu befürchten ist.
• Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR kann sich aber ein Konflikt ergeben, denn das rückgeführte Abgas steht nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Ladeluftstrom.
• Eine Lösung hierfür bietet die sogenannte Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zur Hochdruck-AGR wird bei der Niederdruck-AGR Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu verfügt die Niederdruck-AGR über eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
• Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird.
• Da im Rahmen der Niederdruck-AGR häufig Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, muss dieses zuvor einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen werden. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind zu vermeiden.
• Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung stromabwärts einer Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des zugehörigen Verdichters bzw. der Verdichter in das Ansaugsystem einmündet.
• Vorteilhaft können vorliegend aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung stromaufwärts der ersten Turbine, vorzugsweise stromaufwärts des ersten Knotenpunktes, vom Abgasabführsystem, d. h. dem ersten Abgaskrümmer, abzweigt und stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem einmündet.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jeder Zylinder zum Einbringen von Kraftstoff mit einer Direkteinspritzung ausgestattet ist.
• Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen jeder Zylinder zum Zwecke der Direkteinspritzung mit einer Einspritzdüse ausgestattet ist.
• Die Kraftstoffzufuhr lässt sich zum Zwecke der Teilabschaltung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen schneller und zuverlässiger deaktivieren als bei Brennkraftmaschinen mit Saugrohreinspritzung, bei denen Kraftstoffreste im Saugrohr zu ungewollten Verbrennungen im abgeschalteten Zylinder führen können.
• Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen zum Zwecke einer Kraftstoffversorgung eine Saugrohreinspritzung vorgesehen ist.
• Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem der mindestens eine schaltbare Zylinder der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.
• Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
• Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten T_down und T_up können gleich groß, aber auch verschieden groß sein. Bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine sind die Zylinder der ersten Zylindergruppe ständig in Betrieb befindliche Zylinder. Es erfolgt ein Schalten der zweiten Zylindergruppe, d. h. ein Zuschalten bzw. Abschalten dieser zweiten Gruppe.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die vorgebbare Last T_down und/oder T_up von der Drehzahl n der Brennkraftmaschine abhängig ist. Dann gibt es nicht nur eine konkrete Last, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten unabhängig von der Drehzahl n geschaltet wird. Vielmehr wird drehzahlabhängig vorgegangen und ein Bereich im Kennfeld definiert, in dem teilabgeschaltet wird.
• Grundsätzlich können weitere Betriebsparameter der Brennkraftmaschine als Kriterium für eine Teilabschaltung herangezogen werden, beispielsweise die Motortemperatur oder die Kühlmitteltemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_down unterschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne niedriger ist als diese vorgegebene Last T_down.
• Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung für das Abschalten der Zylinder der zweiten Gruppe, d. h. die Teilabschaltung, soll ein zu häufiges Zu- und Abschalten verhindern, insbesondere eine Teilabschaltung, wenn die Last nur kurzzeitig die vorgegebene Last T_down unterschreitet und dann wieder steigt bzw. um den vorgegebenen Wert für die Last T_down schwankt, ohne dass das Unterschreiten eine Teilabschaltung rechtfertigen bzw. erfordern würde.
• Aus diesen Gründen sind ebenfalls Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinder der zweiten Gruppe zugeschaltet wird, sobald die vorgegebene Last T_up überschritten wird und die momentane Last für eine vorgebbare Zeitspanne höher ist als diese vorgegebene Last T_up.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen während der Teilabschaltung nur die Turbine des ersten Abgasturboladers zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem die mindestens drei Zylinder der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder sind, sowohl die Turbine des ersten Abgasturboladers als auch die Turbine des zweiten Abgasturboladers zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung herangezogen werden, solange die Drehzahl n_mot kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,1 .
• Vorteilhaft können aber auch Verfahrensvarianten sein, bei denen ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem die mindestens drei Zylinder der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder sind, nur die Turbine des ersten Abgasturboladers zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird, solange die Drehzahl n_mot kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,1 . Dann ist gegebenenfalls eine zweite Bypassleitung am zweiten Verdichter zu öffnen, d. h. freizugeben.
• Vorteilhaft sind insbesondere Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine, bei dem die mindestens drei Zylinder der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder sind, nur die Turbine des zweiten Abgasturboladers zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird, solange die Drehzahl n_mot größer ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,2 .
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zwecks Teilabschaltung zunächst eine Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders deaktiviert wird. Es ergeben sich Vorteile in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen, was die Zielsetzung, die mit der Teilabschaltung verfolgt wird, nämlich den Kraftstoffverbrauch zu mindern und den Wirkungsgrad zu verbessern, unterstützt. Bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen kann es sogar erforderlich werden, die Kraftstoffversorgung zu deaktivieren, um sicher eine Zündung des im Zylinder befindlichen Gemisches zu verhindern.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer aufgeladenen Brennkraftmaschine und gemäß den 1 und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt:
• 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
• 2 schematisch das Motorkennfeld der ersten Ausführungsform.
• 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 10, die mit zwei Abgasturboladern 7, 8 ausgestattet ist. Jeder Abgasturbolader 7, 8 umfasst eine im Abgasabführsystem 15 angeordnete Turbine 7a, 8a und einen im Ansaugsystem 6 angeordneten Verdichter 7b, 8b. Das heiße Abgas entspannt sich in den Turbinen 7a, 8a unter Energieabgabe. Die Verdichter 8b, 9b komprimieren die Ladeluft, die via Ansaugsystem 6, Ladeluftkühler 13 und Plenum den Zylindern 1, 2, 3, 4 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 10 erreicht wird.
• Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden, und die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung in Betrieb sind.
• Jeder Zylinder 1, 2, 3, 4 verfügt über zwei Auslassöffnungen, an die sich Abgasleitungen 5a, 5b zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 15 anschließen, wobei zwecks Vereinfachung nur eine Auslassöffnung je Zylinder 1, 2, 3, 4 dargestellt ist. Die Abgasleitungen 5a, 5b der Zylinder 1, 2, 3, 4 jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 16a, 16b jeweils zu einer Gesamtabgasleitung 15a, 15b zusammen. Diese Gesamtabgasleitungen 15a, 15b führen wiederum zu einer gemeinsamen Abgasleitung 14 zusammen. Der erste Abgaskrümmer 16a ist via Verbindungsleitung 9 mit dem zweiten Abgaskrümmer 16b verbunden, wobei die Verbindungsleitung 9 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 9a vom ersten Abgaskrümmer 16a abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 9b in den zweiten Abgaskrümmer 16b mündet.
• Die Turbine 7a des ersten Abgasturboladers 7 ist in der ersten Gesamtabgasleitung 15a der ersten Zylindergruppe und die Turbine 8a des zweiten Abgasturboladers 8 in der zweiten Gesamtabgasleitung 15b der zweiten Zylindergruppe angeordnet, so dass vorliegend die erste Turbine 7a die Turbine 7a ist, die bei Teilabschaltung aktiviert ist bzw. bleibt und für den erforderlichen Ladedruck sorgt. Die erste Turbine 7a des ersten Abgasturboladers 7 weist vorliegend eine feste und die Turbine 8a des zweiten Abgasturboladers 8 eine variable Turbinengeometrie auf.
• Der erste Verdichter 7b des ersten Abgasturboladers 7 ist stromabwärts des zweiten Verdichters 8b des zweiten Abgasturboladers 8 im Ansaugsystem 6 angeordnet, wobei der Ladeluftkühler 13 stromabwärts der Verdichter 7b, 8b angeordnet ist. Zwischen dem ersten Verdichter 7b und dem zweiten Verdichter 8b zweigt eine erste Bypassleitung 7c vom Ansaugsystem 6 ab, die stromabwärts des ersten Verdichters 7b wieder in das Ansaugsystem 6 mündet und in der ein erstes Absperrelement 7d angeordnet ist. Stromaufwärts des zweiten Verdichters 8b zweigt eine zweite Bypassleitung 8c vom Ansaugsystem 6 ab, die zwischen dem ersten Verdichter 7b und dem zweiten Verdichter 8b wieder in das Ansaugsystem 6 mündet und in der ein zweites Absperrelement 8d angeordnet ist.
• Die erste Bypassleitung 7c wird genutzt, wenn sämtliche Zylinder 1, 2, 3, 4 der Brennkraftmaschine 10 in Betrieb befindliche Zylinder 1, 2, 3, 4 sind und die zweite, größere Turbine 8a die Verdichterarbeit leistet, d. h. eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers 8 erfolgt. Dann stellt der erste Verdichter 7b einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter 8b komprimierte Ladeluft dar. Die erste Bypassleitung 7c gestattet dann die Umgehung des ersten Verdichters 7b und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems 6. Das zwischen der ersten Turbine 7a und dem ersten Knotenpunkt 9a angeordnete erste turbinenseitige Absperrelement 11 ist dabei vorzugsweise geschlossen, wodurch die erste Turbine 7a deaktiviert wird.
• Die zweite Bypassleitung 8c dient dem Ansaugen von Frischluft in den Fällen, in denen die erste, kleinere Turbine 7a die Verdichterarbeit leistet, d. h. eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des ersten Abgasturboladers 7 erfolgt, nämlich während der Teilabschaltung. Dann stellt der zweite Verdichter 8b lediglich einen Strömungswiderstand für die vom ersten Verdichter 7b angesaugte Frischluft dar. Eine zweite Bypassleitung 8c gestattet dann die Umgehung des zweiten Verdichters 7b und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems 6. Ein zwischen der zweiten Turbine 8a und dem zweiten Knotenpunkt 9b angeordnetes zweites turbinenseitiges Absperrelement 12 ist während der Teilabschaltung vorzugsweise geschlossen.
• 2 zeigt schematisch das Motorkennfeld der ersten Ausführungsform gemäß 1.
• Beim Betreiben der Brennkraftmaschine 10 werden die zwei schaltbaren Zylinder 2, 3 der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine 10 geschaltet, wobei die schaltbaren Zylinder 2, 3 bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet werden. Die für das Unterschreiten bzw. Überschreiten vorgegebenen Grenzlasten T_down und T_up sind vorliegend gleich groß. Der Betriebsmodus C kennzeichnet den Kennfeldbereich der Teilabschaltung.
• Sind sämtliche Zylinder 1, 2, 3, 4 der Brennkraftmaschine 10 in Betrieb befindliche Zylinder 1, 2, 3, 4, werden sowohl die Turbine 7a des ersten Abgasturboladers 7 als auch die Turbine 8a des zweiten Abgasturboladers 8 zur Generierung des Ladedrucks im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung herangezogen, solange die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine 10 kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,1 . Der Betriebsmodus A kennzeichnet diesen Kennfeldbereich.
• Ist die Drehzahl n_mot der Brennkraftmaschine 10 hingegen größer als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,2 , wird die erste Turbine 7a deaktiviert und nur die Turbine 8a des zweiten Abgasturboladers 8 entsprechend dem Betriebsmodus B zur Generierung des Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen.
• Bezugszeichenliste

1

erster Zylinder, außenliegender Zylinder

2

zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder

3

dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder

4

vierter Zylinder, außenliegender Zylinder

5a

Abgasleitung eines Zylinders der ersten Gruppe

5b

Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Gruppe, d. h. eines schaltbaren Zylinders

6

Ansaugsystem

7

erster Abgasturbolader

7a

Turbine des ersten Abgasturboladers

7b

Verdichter des ersten Abgasturboladers

7c

Bypassleitung des ersten Verdichters

7d

erstes Absperrelement

8

zweiter Abgasturbolader

8a

Turbine des zweiten Abgasturboladers

8b

Verdichter des zweiten Abgasturboladers

8c

Bypassleitung des zweiten Verdichters

8d

zweites Absperrelement

9

Verbindungsleitung

9a

erster Knotenpunkt

9b

zweiter Knotenpunkt

10

Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor

11

erstes turbinenzugehöriges Absperrelement

12

zweites turbinenzugehöriges Absperrelement

13

Ladeluftkühler

14

gemeinsame Abgasleitung

15

Abgasabführsystem

15a

erste Gesamtabgasleitung

15b

zweite Gesamtabgasleitung

16a

erster Abgaskrümmer

16b

zweiter Abgaskrümmer

n_mot

Drehzahl der Brennkraftmaschine

n_limit,1

vorgebbare Drehzahl

n_limit,2

vorgebbare Drehzahl

Claims (20)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit mindestens drei Zylindern (1, 2, 3, 4) und einem Ansaugsystem (6) zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern (1, 2, 3, 4), bei der - jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (15) anschließt, - mindestens zwei Abgasturbolader (7, 8) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (7, 8) eine im Abgasabführsystem (15) angeordnete Turbine (7a, 8a) und einen im Ansaugsystem (6) angeordneten Verdichter (7b, 8b) umfasst, - mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, - die Abgasleitungen (5a) der Zylinder (1, 4) der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (16a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (15a) zusammenführen, welche mit der Turbine (7a) eines ersten Abgasturboladers (7) verbunden ist, - die Abgasleitungen (5b) der Zylinder (2, 3) der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (16b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (15b) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) eines zweiten Abgasturboladers (8) verbunden ist, und - eine Abgasrückführung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Verdichter (7b) des ersten Abgasturboladers (7) stromabwärts des zweiten Verdichters (8b) des zweiten Abgasturboladers (8) im Ansaugsystem (6) angeordnet ist, und - der erste Abgaskrümmer (16a) via Verbindungsleitung (9) mit dem zweiten Abgaskrümmer (16b) verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (9) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom ersten Abgaskrümmer (16a) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in den zweiten Abgaskrümmer (16b) mündet.
2. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Bypassleitung (7c) vorgesehen ist, - die zwischen dem ersten Verdichter (7b) und dem zweiten Verdichter (8b) vom Ansaugsystem (6) abzweigt, - die stromabwärts des ersten Verdichters (7b) wieder in das Ansaugsystem (6) einmündet, und - in der ein erstes Absperrelement (7d) angeordnet ist.
3. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Bypassleitung (8c) vorgesehen ist, - die stromaufwärts des zweiten Verdichters (8b) vom Ansaugsystem (6) abzweigt, - die zwischen dem ersten Verdichter (7b) und dem zweiten Verdichter (8b) wieder in das Ansaugsystem (6) einmündet, und - in der ein zweites Absperrelement (8d) angeordnet ist.
4. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) eine feste Turbinengeometrie aufweist.
5. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
6. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) und dem ersten Knotenpunkt (9a) ein erstes turbinenseitiges Absperrelement (11) angeordnet ist.
7. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (8a) des zweiten Abgasturboladers (8) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
8. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Turbine (8a) des zweiten Abgasturboladers (8) und dem zweiten Knotenpunkt (9b) ein zweites turbinenseitiges Absperrelement (12) angeordnet ist.
9. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Verdichter (7b, 8b) ein Ladeluftkühler (13) im Ansaugsystem (6) angeordnet ist.
10. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Verdichter (7b) und dem zweiten Verdichter (8b) ein weiterer Ladeluftkühler im Ansaugsystem (6) angeordnet ist.
11. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Bypassleitung (8c), die stromaufwärts des zweiten Verdichters (8b) vom Ansaugsystem (6) abzweigt und die zwischen dem ersten Verdichter (7b) und dem zweiten Verdichter (8b) wieder in das Ansaugsystem (6) einmündet und in der ein zweites Absperrelement (8d) angeordnet ist, zwischen dem weiteren Ladeluftkühler und dem ersten Verdichter (7b) in das Ansaugsystem (6) einmündet.
12. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (7b) kleiner ausgelegt ist als der zweite Verdichter (8b).
13. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (7a) kleiner ausgelegt ist als die zweite Turbine (8a).
14. Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) und die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils eine Gruppe bilden.
15. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe in Abhängigkeit von der Last T der Brennkraftmaschine (10) geschaltet wird, in der Art, dass dieser mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) bei Unterschreiten einer vorgebbaren Last T_down abgeschaltet wird und bei Überschreiten einer vorgebbaren Last T_up zugeschaltet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der Teilabschaltung nur die Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine (10), bei dem die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder (1, 2, 3, 4) sind, sowohl die Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) als auch die Turbine (8a) des zweiten Abgasturboladers (8) zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung herangezogen werden, solange die Drehzahl n_mot kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,1.
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine (10), bei dem die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder (1, 2, 3, 4) sind, nur die Turbine (7a) des ersten Abgasturboladers (7) zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird, solange die Drehzahl n_mot kleiner ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,1.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betrieb der Brennkraftmaschine (10), bei dem die mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) der mindestens zwei Gruppen in Betrieb befindliche Zylinder (1, 2, 3, 4) sind, nur die Turbine (8a) des zweiten Abgasturboladers (8) zur Generierung eines Ladedrucks im Rahmen einer einstufigen Verdichtung herangezogen wird, solange die Drehzahl n_mot größer ist als eine vorgebbare Drehzahl n_limit,2.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Teilabschaltung zunächst eine Kraftstoffversorgung des mindestens einen schaltbaren Zylinders (2, 3) deaktiviert wird.

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