DE102016102222B4 - Supercharged internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1), umfassend- mindestens einen Zylinderkopf (4) mit einer Anzahl von Zylindern (1.1), wobei jeder der Zylinder (1.1) eine mittels eines Einlassventils (1.2) selektiv öffnenbare und verschließbare Einlassöffnung, eine erste, mittels eines ersten Auslassventils (1.3a) selektiv öffnenbare und verschließbare Auslassöffnung und zumindest eine zweite, mittels eines zweiten Auslassventils (1.3b) selektiv öffnenbare und verschließbare Auslassöffnung aufweist und wobei an die erste Auslassöffnung jedes der Zylinder (1.1) eine erste Abgasleitung (1.4) und an die zweite Auslassöffnung jedes der Zylinder (1.1) eine zweite Abgasleitung (1.5) angeschlossen ist,- eine erste Gesamtabgasleitung (1.6), in die die ersten Abgasleitungen (1.4) münden, und eine zweite Gesamtabgasleitung (1.7), in die die zweiten Abgasleitungen (1.5) münden,- zumindest einen Abgasturbolader (5) mit einer zweiflutigen Turbine (2), die eine Doppelstromturbine ist, welche eine variable Turbinengeometrie mit einer Anzahl verstellbarer Strömungsleitschaufeln aufweist, und ein erstes Strömungsvolumen (2.1), das an die erste Gesamtabgasleitung (1.6) angeschlossen ist, und ein zweites Strömungsvolumen (2.2), das an die zweite Gesamtabgasleitung (1.7) angeschlossen ist, aufweist, wobei das erste Strömungsvolumen (2.1) kleiner als das zweite Strömungsvolumen (2.2) ist,- eine Ventilsteuerungseinrichtung (3), mittels derer das Öffnen und Schließen der Auslassventile (1.3a, 1.3b) steuerbar ist, wobei die ersten Auslassventile (1.3a) der Zylinder (1.1) eine erste Auslassventilgruppe und die zweiten Auslassventile (1.3a) der Zylinder (1.1) eine zweite Auslassventilgruppe bilden, wobei die Ventilsteuerungseinrichtung (3) so ausgebildet ist, dass in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (1) nur die Steuerung der ersten Auslassventilgruppe aktiviert ist und in einem zweiten Betriebszustand die Steuerung der ersten und der zweiten Auslassventilgruppe aktiviert ist, und wobei die Strömungsvolumina (2.1, 2.2) innerhalb der zweiflutigen Turbine (2) durch eine Anzahl von Trennwänden zumindest weitgehend voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verlängerung der Trennwände zwischen den beiden Strömungsvolumina (2.1, 2.2) mindestens eine feste Strömungsleitschaufel angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1), comprising at least one cylinder head (4) with a number of cylinders (1.1), each of the cylinders (1.1) having an inlet opening that can be selectively opened and closed by means of an inlet valve (1.2), a first one by means of a first outlet valve (1.3a) has a selectively openable and closable outlet opening and at least one second outlet opening which can be selectively opened and closed by means of a second exhaust valve (1.3b), and wherein a first exhaust pipe (1.4) is connected to the first outlet opening of each of the cylinders (1.1) and to the second A second exhaust line (1.5) is connected to the outlet opening of each of the cylinders (1.1), a first overall exhaust line (1.6) into which the first exhaust lines (1.4) open, and a second overall exhaust line (1.7) into which the second exhaust lines (1.5) open. - at least one exhaust gas turbocharger (5) with a twin-flow turbine (2), which is a dual-flow turbine, which has a variable turbine geometry with a number of adjustable flow guide blades, and a first flow volume (2.1), which is connected to the first overall exhaust line (1.6). is, and has a second flow volume (2.2), which is connected to the second overall exhaust line (1.7), the first flow volume (2.1) being smaller than the second flow volume (2.2), - a valve control device (3), by means of which Opening and closing of the exhaust valves (1.3a, 1.3b) can be controlled, the first exhaust valves (1.3a) of the cylinders (1.1) forming a first exhaust valve group and the second exhaust valves (1.3a) of the cylinders (1.1) forming a second exhaust valve group, whereby the valve control device (3) is designed such that in a first operating state of the internal combustion engine (1) only the control of the first exhaust valve group is activated and in a second operating state the control of the first and second exhaust valve groups is activated, and wherein the flow volumes (2.1, 2.2) within the twin-flow turbine (2) are at least largely separated from one another by a number of partitions, characterized in that at least one fixed flow guide blade is arranged in an extension of the partitions between the two flow volumes (2.1, 2.2).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a supercharged internal combustion engine according to the preamble of
Aus dem Stand der Technik sind aufgeladene Brennkraftmaschinen, die mindestens einen Abgasturbolader aufweisen, in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Aufladung mittels 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. Die Aufladung der Brennkraftmaschine stellt somit eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Kohlendioxidemissionen dar.Different embodiments of turbocharged internal combustion engines that have at least one exhaust gas turbocharger are known from the prior art. Supercharging using an exhaust gas turbocharger makes it possible to reduce the mass of the internal combustion engine, since smaller displacements can be used with comparable performance and/or the number of cylinders can be reduced. Charging the internal combustion engine is therefore an effective measure for reducing fuel consumption and carbon dioxide emissions.
Eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist zum Beispiel aus der
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente und sichere Steuerung der Abgase ermöglicht.The aim of the present invention is to provide a turbocharged internal combustion engine of the type mentioned at the outset, which enables efficient and safe control of the exhaust gases.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine aufgeladene Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The solution to this problem is provided by a supercharged internal combustion engine of the type mentioned at the beginning with the features of the characterizing part of
Eine erfindungsgemäße aufgeladene Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass in einer Verlängerung der Trennwände zwischen den beiden Strömungsvolumina mindestens eine feste Strömungsleitschaufel angeordnet ist.A supercharged internal combustion engine according to the invention is characterized in that at least one fixed flow guide vane is arranged in an extension of the partition walls between the two flow volumes.
Es hat sich gezeigt, dass die Freiganganforderungen der Strömungsleitschaufeln bei einer Doppelstromturbine mit variabler Turbinengeometrie eine maximale Trennung der beiden Strömungsvolumina bis zum Turbinenrad verhindern. Die beiden Strömungsvolumina können in einem Raum zwischen zwei Strömungsleitschaufeln miteinander kommunizieren, so dass das zweite Strömungsvolumen im vermeintlich abgeschalteten Zustand trotzdem teilweise mit Abgasen gefüllt wird. Um diesem Problem zu begegnen, wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in der Verlängerung der Trennwände zwischen den beiden Strömungsvolumina die mindestens eine feste Strömungsleitschaufel angeordnet ist. Diese Strömungsleitschaufel ist also fixiert und nicht wie die übrigen Strömungsleitschaufeln verstellbar ausgebildet. Durch diese Maßnahme kann die Leckage zwischen den beiden Strömungsvolumina verringert werden. Diese verbesserte Trennung der Strömungsvolumina, die bei niedrigen Drehzahlen gewünscht ist, wirkt sich insbesondere positiv auf das Ansprechverhalten, das Verhalten bei Volllast sowie auf das Aufheizen einer Abgasreinigungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs aus.It has been shown that the clearance requirements of the flow guide blades in a double-flow turbine with variable turbine geometry prevent maximum separation of the two flow volumes up to the turbine wheel. The two flow volumes can communicate with one another in a space between two flow guide blades, so that the second flow volume is still partially filled with exhaust gases in the supposedly switched off state. In order to address this problem, it is therefore proposed according to the invention that the at least one fixed flow guide vane is arranged in the extension of the partition walls between the two flow volumes. This flow guide vane is therefore fixed and not designed to be adjustable like the other flow guide vanes. This measure allows the leakage between the two flow volumes to be reduced. This improved separation of the flow volumes, which is desired at low speeds, has a particularly positive effect on the response behavior, the behavior at full load and on the heating of an exhaust gas purification device of the motor vehicle.
Die aufgeladene Brennkraftmaschine ermöglicht es, dass die Ventilsteuerungseinrichtung für jeden der Zylinder einen ersten Nocken und mindestens einen zweiten Nocken auf einer axial drehbaren und axial verschieblichen Welle zur Steuerung der Offenstellung und Schließstellung der Auslassventile aufweist, wobei die Nocken derart ausgebildet und auf der axial drehbaren und axial verschieblichen Welle angeordnet sind, dass in dem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch einen Kraftschluss der ersten Nocken mit den Auslassventilen der ersten Auslassventilgruppe nur die Steuerung der ersten Auslassventilgruppe aktiviert ist und in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine durch den Kraftschluss der ersten Nocken mit den Auslassventilen der ersten Auslassventilgruppe die Steuerung der ersten Auslassventilgruppe aktiviert ist und durch einen Kraftschluss der zweiten Nocken mit den Auslassventilen der zweiten Auslassventilgruppe die Steuerung der zweiten Auslassventilgruppe aktiviert ist.The supercharged internal combustion engine enables the valve control device for each of the cylinders to have a first cam and at least one second cam on an axially rotatable and axially displaceable shaft for controlling the open position and closed position of the exhaust valves, the cams being designed in this way and on the axially rotatable and axially displaceable shaft are arranged so that in the first operating state of the internal combustion engine only the control of the first exhaust valve group is activated by a frictional connection of the first cams with the exhaust valves of the first exhaust valve group and in a second operating state of the internal combustion force machine, the control of the first exhaust valve group is activated by the frictional connection of the first cams with the exhaust valves of the first exhaust valve group and the control of the second exhaust valve group is activated by a frictional connection of the second cams with the exhaust valves of the second exhaust valve group.
Die aufgeladene Brennkraftmaschine ermöglicht eine Verbesserung des Ansprechverhaltens und des stationären Volllastmoments bei niedrigen Drehzahlen durch Verkleinerung des abgasführenden Volumens vor der Turbine. Dadurch kann die Stoßaufladung bei niedrigen Drehzahlen in vorteilhafter Weise verbessert werden. Überdies kann durch eine Erhöhung des abgasführenden Volumens vor der Turbine und durch eine daraus resultierende Absenkung der mittleren Abgastemperatur und Verstärkung der Stauaufladung der Kraftstoffverbrauch bei höheren Drehzahlen und hoher Last (zum Beispiel im Nennlastbereich) in vorteilhafter Weise verringert werden. Die in der erfindungsgemäßen Weise ausgeführte Ventilsteuerungseinrichtung ermöglicht eine effiziente, sichere und bedarfsgerechte Lenkung der Abgase zu der Turbine des Abgasturboladers.The turbocharged internal combustion engine enables an improvement in response and steady-state full-load torque at low speeds by reducing the volume of exhaust gas in front of the turbine. As a result, the shock charging at low speeds can be improved in an advantageous manner. Furthermore, by increasing the exhaust gas-carrying volume in front of the turbine and by resulting in a reduction in the average exhaust gas temperature and increasing the accumulation of supercharging, fuel consumption can be advantageously reduced at higher speeds and high loads (for example in the nominal load range). The valve control device designed in the manner according to the invention enables efficient, safe and needs-based steering of the exhaust gases to the turbine of the exhaust gas turbocharger.
Da die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, kann der Einfluss der Stoßaufladung im Vergleich zu einer Zwillingsstromturbine weiter vergrößert werden. Bei einer Doppelstromturbine erfolgt die Strömung der Abgase in den beiden Strömungsvolumina auf einem Teilumfang des Turbinenrades.Since the twin-flow turbine is a dual-flow turbine, the influence of shock charging can be further increased compared to a twin-flow turbine. In a dual-flow turbine, the exhaust gases flow in the two flow volumes on a partial circumference of the turbine wheel.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die zweiflutige Turbine eine Wastegate-Regelung aufweist.According to a further advantageous embodiment, it can also be provided that the double-flow turbine has a wastegate control.
Da die Doppelstromturbine eine variable Turbinengeometrie mit einer Anzahl verstellbarer Strömungsleitschaufeln aufweist, kann mittels der verstellbaren Strömungsleitschaufeln das Aufstauverhalten der in die Turbine einströmenden Abgase gezielt variiert werden.Since the double-flow turbine has a variable turbine geometry with a number of adjustable flow guide blades, the accumulation behavior of the exhaust gases flowing into the turbine can be varied in a targeted manner using the adjustable flow guide blades.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Zylindern, Einlass- und Auslassventilen und Abgasleitungen sowie einem zweiflutigen Abgasturbolader im Abgastrakt, -
2 eine perspektivische Darstellung einer zweiflutigen Turbine des Abgasturboladers, die als Doppelstromturbine ausgebildet ist, -
3a eine schematische Darstellung einer Ventilsteuerungseinrichtung der Auslassventile der Brennkraftmaschine mit einer Ventilhubverstellung in einem ersten Betriebszustand, und -
3b eine schematische Darstellung der Ventilsteuerungseinrichtung der Brennkraftmaschine mit einer Ventilhubverstellung in einem zweiten Betriebszustand.
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1 a schematic representation of an internal combustion engine with cylinders, inlet and outlet valves and exhaust pipes as well as a twin-pipe exhaust turbocharger in the exhaust tract, -
2 a perspective view of a twin-flow turbine of the exhaust gas turbocharger, which is designed as a dual-flow turbine, -
3a a schematic representation of a valve control device of the exhaust valves of the internal combustion engine with a valve lift adjustment in a first operating state, and -
3b a schematic representation of the valve control device of the internal combustion engine with a valve lift adjustment in a second operating state.
Eine in
Die ersten Auslassventile 1.3a aller Zylinder 1.1, die jeweils einer ersten Auslassöffnung der Zylinder 1.1 zugeordnet sind, bilden eine erste Auslassventilgruppe und die zweiten Auslassventile 1.3b der Zylinder 1.1, die jeweils einer zweiten Auslassöffnung der Zylinder 1.1 zugeordnet sind, bilden eine zweite Auslassventilgruppe. An jede der beiden Auslassöffnungen der Zylinder 1.1 ist jeweils eine Abgasleitung 1.4, 1.5 angeschlossen. Die während der Verbrennung entstehenden Abgase der Brennkraftmaschine 1 werden durch die Auslassventile 1.3a, 1.3b in die zugehörigen, voneinander strömungstechnisch getrennten Abgasleitungen 1.4, 1.5 geleitet. Die Abgasleitungen 1.4 der Auslassventile 1.3a der ersten Auslassventilgruppe und die Abgasleitungen 1.5 der Auslassventile 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe münden in zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Gesamtabgasleitungen 1.6, 1.7. Die Abgase, die die erste Gesamtabgasleitung 1.6 durchströmen, stammen somit aus den Abgasleitungen 1.4 der durch die Auslassventile 1.3a der ersten Auslassventilgruppe öffnenbaren und schließbaren Auslassöffnungen. Die Abgase, die die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 durchströmen, stammen aus den Abgasleitungen 1.5 der durch die Auslassventile 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe öffnenbaren und schließbaren Auslassöffnungen, falls diese zweite Auslassventilgruppe aktiviert ist.The first exhaust valves 1.3a of all cylinders 1.1, which are each assigned to a first exhaust opening of the cylinders 1.1, form a first exhaust valve group and the second exhaust valves 1.3b of the cylinders 1.1, which are each assigned to a second exhaust opening of the cylinders 1.1, form a second exhaust valve group. An exhaust pipe 1.4, 1.5 is connected to each of the two outlet openings of the cylinders 1.1. The exhaust gases from the
Beide Gesamtabgasleitungen 1.6 und 1.7 münden in einen Abgasturbolader 5, der eine zweiflutige Turbine 2 und einen in
Die perspektivische Darstellung in
Die erste Gesamtabgasleitung 1.6 der Brennkraftmaschine 1 ist an das erste (kleinere) Strömungsvolumen 2.1 der Turbine 2 angeschlossen. Die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 ist demgegenüber an das zweite (größere) Strömungsvolumen 2.2 der Turbine 2 angeschlossen. Beide Strömungsvolumina 2.1, 2.2 sind durch mindestens eine Trennwand strömungstechnisch voneinander getrennt. Diejenigen Abgase, die in das kleinere Strömungsvolumen 2.1 strömen, stammen von denjenigen Auslassöffnungen der Zylinder 1.1, denen die erste Auslassventilgruppe zugeordnet ist, die bei befeuerter Brennkraftmaschine 1 immer aktiv ist. Das größere Strömungsvolumen 2.2 wird nur mit Abgasen durchströmt, falls eine Ventilsteuerungseinrichtung 3, die nachfolgend unter Bezugnahme auf
Die Ventilsteuerungseinrichtung 3 ist so ausgebildet, dass sie die Auslassventile 1.3a, 1.3b bei entsprechendem Kraftschluss zwischen dem ersten Nocken 3.2a und dem ersten Auslassventil 1.3a beziehungsweise dem zweiten Nocken 3.2b und dem zweiten Auslassventil 1.3b eines der Zylinder 1.1 so bewegen kann, dass die Auslassventile 1.3a, 1.3b die ihnen zugeordneten Auslassöffnungen des betreffenden Zylinders 1.1 periodisch freigeben und schließen. In einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1, wie beispielsweise bei niedrigeren Drehzahlen, ist die erste Auslassventilgruppe aktiviert. Wenn das in
Durch die so erzeugte ausschließliche Zuführung der Abgase in das erste (kleinere) Strömungsvolumen 2.1 der Turbine 2 kann bei niedrigeren Drehzahlen ein stark ausgeprägter Stoßaufladungseffekt und damit ein hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine 1 erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die schnellere Beschleunigung der Turbine 2 bei Lastanforderung.By exclusively feeding the exhaust gases into the first (smaller) flow volume 2.1 of the
Bei höheren Drehzahlen beginnt die Pumparbeit aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu stark anzusteigen. Eine zusätzliche Aktivierung und damit eine periodische Öffnung des Auslassventils 1.3b der zweiten Auslassventilgruppe ist erforderlich. Durch eine axiale Verschiebung der Welle 3.1 wird ein Kraftschluss des zweiten Nockens 3.2b mit dem zweiten Auslassventil 1.3b in der Weise erzeugt, dass das Auslassventil 1.3b mittels der Ventilsteuerungseinrichtung 3 periodisch von einem Nullhub (geschlossener Zustand der Auslassöffnung) auf einen fixen Maximalhub (geöffneter Zustand der Auslassöffnung) überführt wird, so dass durch das periodische Öffnen und Schließen des zweiten Auslassventils 1.3b die Abgase in die zweite Abgasleitung 1.5 und dann in die zweite Gesamtabgasleitung 1.7 und schließlich in das zweite (größere) Volumen 2.2 der Turbine 2 des Abgasturboladers 5 geleitet werden. Es versteht sich natürlich, dass ein Fachmann auch weitere Ventilhubumschaltungsvorrichtungen als Ventilsteuerungseinrichtung 3, wie bspw nicht dargestellte schaltbare Rollenschlepphebel oder ähnliches, in dieser Erfindung mitliest. Durch die selektive Vergrößerung des abgasführenden Volumens innerhalb der Turbine 2 kann der so genannte Stauaufladungseffekt bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 verstärkt werden. Die mittlere Abgastemperatur wird abgesenkt. Dadurch ergibt sich eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei hohen Drehzahlen und hoher Last (zum Beispiel im Nennleistungsbereich der Brennkraftmaschine 1).At higher speeds, the pumping work begins to increase too much due to the high flow velocities. An additional activation and thus a periodic opening of the exhaust valve 1.3b of the second exhaust valve group is required. An axial displacement of the shaft 3.1 creates a frictional connection between the second cam 3.2b and the second exhaust valve 1.3b in such a way that the exhaust valve 1.3b is periodically moved from a zero stroke (closed state of the exhaust opening) to a fixed maximum stroke (by means of the valve control device 3). open state of the outlet opening) is transferred, so that through the periodic opening and closing of the second outlet valve 1.3b, the exhaust gases into the second exhaust line 1.5 and then into the second overall exhaust line 1.7 and finally into the second (larger) volume 2.2 of the
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