DE102017105608A1

DE102017105608A1 - Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102017105608A1
Application number: DE102017105608.4A
Authority: DE
Inventors: Isao Matsumoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2017-11-02
Also published as: US20170314458A1; JP6477587B2; JP2017201143A

Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine hat einen Turbolader mit zwei Eingängen (auch als zweiflutiger Turbolader bzw. Twin-Scroll-Lader bezeichnet) mit welchem eine erste Abgasleitung und eine zweite Abgasleitung jeweils individuell verbunden sind, einen Raumbildungsabschnitt, der über ein ersten Verbindungspfad mit der ersten Abgasleitung verbunden ist und über einen zweiten Verbindungspfad mit der zweiten Abgasleitung verbunden ist, ein Verbindungssteuerventil, das den ersten Verbindungspfad und den zweiten Verbindungspfad öffnet und schließt, sowie einen Antriebsmechanismus, der mit einem Ventilkörper des Verbindungssteuerventils verbunden ist, und den Ventilkörper antreibt, um den Ventilkörper zu öffnen und zu schließen. Der Antriebsmechanismus ist auf einer Seite des Raumbildungsabschnitts bezüglich des Ventilköpers in einem Zustand angeordnet, in welchem der Ventilkörper geschlossen ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, und insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Turbolader mit zwei Eingängen (auch als zweiflutiger Turbolader bzw. Twin-Scroll-Lader bezeichnet).
Technischer Hintergrund
Der Stand der Technik offenbart in Patentliteratur 1 beispielsweise eine Technologie bezüglich eines Aufladedrucksteuersystems einer mit einem Turbolader mit zwei Eingängen (nachfolgend als zweiflutiger Turbolader bzw. Twin-Scroll-Lader bezeichnet) ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine. Ein Abgaskrümmer dieser Verbrennungskraftmaschine ist derart ausgestaltet, dass er Abgasleitungen von Zylindern verbindet, die keine Abgasstörung verursachen, wobei die jeweiligen Leitungen mit zwei Scroll- bzw. Spiralleitungen verbunden sind, die im zweiflutigen Turbolader bzw. Twin-Scroll-Lader enthalten sind. Zudem ist in einem Trenn- bzw. Begrenzungsabschnitt, der die beiden Spiralleitungen trennt bzw. begrenzt, ein Scroll- bzw. Spiralventil angeordnet, das eine Verbindung der beiden Spiralleitungen verursacht. Das Spiralventil wird durch eine Kühlvorrichtung gekühlt. Die Kühlvorrichtung überträgt Abgaswärme, die vom Spiralventil aufgenommen wird, auf eine Kolbenstange, um die Abgaswärme an Kühlwasser abzugeben bzw. abzustrahlen, das in einem Zylinderkörper strömt.
Nachstehend wird Patentliteratur angeführt, welche die Anmelderin als Stand der Technik für die vorliegende Anmeldung erkannt hat.

Patentliteratur 1: JP 2015-040 542 A
Patentliteratur 2: JP S63-117 124 A
Patentliteratur 3: US 2010/0 083 920 A1

Kurzfassung
Bei dem in der vorstehend genannten Patentliteratur 1 beschriebenen System ist das Scroll- bzw. Spiralventil vorgesehen, um die beiden Spiralleitungen abzugrenzen bzw. zu trennen, so dass das Spiralventil immer dem heißen Abgas ausgesetzt ist, das in beiden Spiralleitungen strömt. Folglich besteht bei dem Aufbau der vorstehend beschriebenen Kühlvorrichtung, die Wärme des Scroll- bzw. Spiralventils durch Wärmeleitung abstrahlt die Befürchtung, dass das Ventil unzureichend gekühlt wird und aufgrund der Hitze eine Fehlfunktion verursacht wird.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Problem gemacht und hat als Aufgabe, eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, die bei einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verbindungssteuerventil, das eine Verbindung zwischen Abgasleitungen herstellt, die unabhängig mit einem Turbolader mit zwei Eingängen bzw. zweiflutigen Turbolader verbunden sind, das Auftreten einer Fehlfunktion des Verbindungssteuerventils verhindern kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, mit:
einer ersten Abgasleitung, in der Abgas strömt, das von einer ersten Zylindergruppe der Verbrennungskraftmaschine mit einer Mehrzahl von Zylindern ausgestoßen wird;
einer zweiten Abgasleitung, in der Abgas strömt, das von einer zweiten Zylindergruppe ausgestoßen wird, die durch andere Zylinder als die der ersten Zylindergruppe gebildet ist;
einem Turbolader mit zwei Eingängen bzw. einem zweiflutigen Turbolader oder Twin-Scroll-Lader, mit welchem die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung jeweils unabhängig verbunden sind;
einem Raumbildungsabschnitt, der einen Raum bildet, der mit der ersten Abgasleitung über einen ersten Verbindungspfad verbunden ist und mit der zweiten Abgasleitung über einen zweiten Verbindungspfad verbunden ist;
einem Verbindungssteuerventil, das den ersten Verbindungspfad und den zweiten Verbindungspfad öffnet und schließt; und
einem Antriebsmechanismus, der mit einem Ventilkörper des Verbindungssteuerventils verbunden ist, und den Ventilkörper antreibt, um den Ventilkörper zu öffnen und zu schließen,
wobei der Antriebsmechanismus auf einer Seite des Raumbildungsabschnitts bezüglich des Ventilkörpers in einem Zustand angeordnet ist, in welchem der Ventilkörper geschlossen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Verbrennungskraftmaschine nach dem ersten Aspekt vorgeschlagen,
wobei ein Katalysator in der Abgasleitung an einer stromabwärtigen Seite des Turboladers angeordnet ist,
und die Verbrennungskraftmaschine weiter aufweist: einen Wärmetauscher, der in dem Raumbildungsabschnitt angeordnet ist und zum Kühlen von Gas in dem Raumbildungsabschnitt dient.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Verbrennungskraftmaschine nach dem zweiten Aspekt vorgeschlagen, weiter aufweisend einen Begrenzungsabschnitt, der die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung begrenzt,
wobei der Raumbildungsabschnitt am Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt befestigt ist, und
eine Dichtung zur Wärmeisolierung zwischen dem Raumbildungsabschnitt und dem Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt angeordnet ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Verbrennungskraftmaschine nach dem zweiten oder dritten Aspekt vorgeschlagen, weiter aufweisend:
einen Aktuator, der das Verbindungssteuerventil durch Betätigen des Antriebsmechanismus öffnet und schließt,
wobei der Aktuator am Raumbildungsabschnitt befestigt ist.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Verbrennungskraftmaschine nach einem zweiten bis vierten Aspekte vorgeschlagen, weiter aufweisend:
einen Aktuator, der das Verbindungssteuerventil durch Betätigen des Antriebsmechanismus öffnet und schließt; und
eine Steuervorrichtung, die den Aktuator steuert,
wobei der Wärmetauscher als Wasserkühlungswärmetauscher ausgestaltet ist, in welchem Kühlwasser fließt, und
die Steuervorrichtung den Aktuator betätigt, um das Verbindungssteuerventil in einem geschlossenen Zustand zu halten, wenn eine Temperatur des Kühlwassers ein Taupunkt des Abgases oder weniger ist.
Gemäß dem ersten Aspekt ist der Antriebsmechanismus, der den Ventilkörper des Verbindungssteuerventils antreibt, um den Ventilkörper zu öffnen und zu schließen, auf der Seite des Raumbildungsabschnitts bezüglich des Ventilkörpers in dem Zustand angeordnet, in dem das Verbindungssteuerventil geschlossen ist. Mit einer derartigen Konfiguration kann verhindert werden, dass der Antriebsmechanismus Abgas mit hoher Temperatur bzw. heißem Abgas in der ersten Abgasleitung und der zweiten Abgasleitung ausgesetzt ist, wenn das Verbindungssteuerventil geschlossen ist. Hierdurch kann die Beständigkeit des Antriebsmechanismus gegenüber der Temperatur effektiv verbessert werden, so dass das Auftreten einer Fehlfunktion des Verbindungssteuerventils effektiv verhindert werden kann.
Gemäß dem zweiten Aspekt hat die Verbrennungskraftmaschine die Kühleinheit zum Kühlen des Gases im Raumbildungsabschnitt. Mit dieser Konfiguration wird, wenn das Verbindungssteuerventil geöffnet ist, ein Teil des Abgases, das in der ersten Abgasleitung oder der zweiten Abgasleitung strömt, in den Raumbildungsabschnitt eingebracht und durch die Kühleinheit gekühlt. Dadurch kann die Temperatur des Abgases, das in den Turbolader eingebracht wird, verringert werden, ohne von einer Kraftstofferhöhungssteuerung abhängig zu sein, welche die Kraftstoffzufuhrmenge zu den Zylindern erhöht, so dass eine übermäßige Zunahme der Temperatur des Katalysators verhindert werden kann, ohne die Maschinenausgangsleistung zu verringern.
Gemäß dem dritten Aspekt wird der Raumbildungsabschnitt am Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt (EN: exhaust passage demarcating section) befestigt, der die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung begrenzt bzw. trennt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Dichtung zwischen den Raumbildungsabschnitt und den Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt eingesetzt. Mit einer derartigen Konfiguration kann die Wärmeabgabemenge an den Raumbildungsabschnitt vom Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt begrenzt werden, so dass es möglich wird, eine Verzögerung bei der Aufwärmung des Katalysators zu vermeiden.
Gemäß dem vierten Aspekt ist der Aktuator, der den Antriebsmechanismus betätigt, am Raumbildungsabschnitt befestigt. Mit einer derartigen Konfiguration kann verhindert werden, dass der Aktuator eine hohe Temperatur annimmt. so dass die Zuverlässigkeit des Betriebs des Antriebsmechanismus verbessert werden kann.
Gemäß dem fünften Aspekt wird der Aktuator betätigt, um das Verbindungssteuerventil geschlossen zu halten, wenn die Temperatur des Kühlwassers der Taupunkt des Abgases oder weniger ist. Mit einer solchen Konfiguration kann das Auftreten von aus dem Abgas kondensiertem Wasser im Wärmetauscher vermieden werden, so dass eine Korrosion des Wärmetauschers verhindert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine, das einen Hauptteil der vorliegenden Anmeldung darstellt;
2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitts einer Verbindungseinheit;
3 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines Raumbildungsabschnitts der Verbindungseinheit;
4 ist ein Flussschaubild, das eine Routine zum Öffnen und Schließen eines Verbindungssteuerventils zeigt;
5 ist ein Kennfeld, das einen geöffneten und geschlossenen Zustand des Verbindungssteuerventils bezüglich eines Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine bestimmt;
6 ist eine Darstellung, die eine Beziehung einer Maschinenausgangsleistung bezüglich eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses darstellt;
7 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Abwandlung der Verbindungseinheit;
8 ist eine Explosionsansicht zur Erläuterung einer Abwandlung des Aufbaus des Verbindungssteuerventils; und
9 ist eine Explosionsansicht zur Erläuterung einer anderen Abwandlung des Aufbaus des Verbindungssteuerventils.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Anmeldung bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass, wenn in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform die Ziffern der Zahlen, Mengen, Beträge, Bereiche und dergleichen der jeweiligen Elemente genannt sind, die vorliegende Anmeldung nicht auf die genannten Ziffern beschränkt ist, sofern nicht anders angegeben, oder solange die Offenbarung nicht explizit durch die Zahlen theoretisch bestimmt ist. Der Aufbau, die Stufen und dergleichen, die in der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform dargestellt sind, sind nicht immer unverzichtbar mit der vorliegenden Anmeldung verknüpft solange nicht explizit anders dargestellt, oder solange die Offenbarung nicht explizit durch den Aufbau, die Stufen und dergleichen theoretisch bestimmt ist.
Erste Ausführungsform
1. Aufbau der Verbrennungskraftmaschine der ersten Ausführungsform
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht zur Erläuterung eines Aufbaus eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine, das einen Hauptteil der vorliegenden Anmeldung darstellt. Eine Verbrennungskraftmaschine 10 der vorliegenden Ausführungsform ist als Reihen-4-Zylinder-Maschine ausgebildet, die eine Verbrennung in der Reihenfolge von Zylinder #1 bis Zylinder #3 bis Zylinder #4 bis Zylinder #2 ausführt. Es sei angemerkt, dass in 1 nur ein Zylinderkopf 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt ist. Im Zylinderkopf 12 sind ein erster Abgaskrümmer 14 und ein zweiter Abgaskrümmer 16 ausgebildet. Das bedeutet, der erste Abgaskrümmer 14 und der zweite Abgaskrümmer 16 sind als im Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer ausgebildet, die im Zylinderkopf 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 ausgebildet sind. Der erste Abgaskrümmer 14 ist mit dem Zylinder #2 und dem Zylinder #3 verbunden. Das bedeutet, das Abgas, das vom Zylinder #2 ausgestoßen wird, und das Abgas, das vom Zylinder #3 ausgestoßen wird, laufen im ersten Abgaskrümmer 14 zusammen und wird von einem Auslassanschluss 14a ausgestoßen. Nachfolgend wird eine Zylindergruppe, die durch die Zylinder #2 und #3 gebildet ist, als „erste Zylindergruppe” bezeichnet.
Der zweite Abgaskrümmer 16 ist dagegen mit Zylinder #1 und Zylinder #4 verbunden. Das bedeutet, das Abgas, das vom ersten Zylinder #1 ausgestoßen wird, und das Abgas, das vom Zylinder #4 ausgestoßen wird, laufen im zweiten Abgaskrümmer 16 zusammen und werden von einem Auslassanschluss 16a ausgestoßen. Eine Zylindergruppe, die durch die Zylinder #1 und Zylinder #4 gebildet ist, wird nachfolgend als „zweite Zylindergruppe” bezeichnet.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 hat einen Abgasleitungsabschnitt 20. Im Abgasleitungsabschnitt 20 sind eine erste Leitung 22 und eine zweite Leitung 24 parallel zueinander ausgestaltet. Der Abgasleitungsabschnitt 20 ist am Zylinderkopf 12 befestigt, wodurch der Auslassanschluss 14a des ersten Abgaskrümmers 14 mit einem Einlassanschluss der ersten Leitung 22 verbunden ist, und der Auslassanschluss 16a des zweiten Abgaskrümmers 16 mit einem Einlassanschluss der zweiten Leitung 24 verbunden ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 hat einen Turbolader 30. Der Turbolader 30 hat eine Turbine, die durch die Energie des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 betrieben wird, sowie einen Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird. Eine nicht dargestellte Einlassleitung ist mit dem Kompressor verbunden. Ansaugluft kann durch den Kompressor verdichtet werden.
Die Turbine hat zwei Einlassanschlüsse. Das bedeutet, der Turbolader 30 ist als Turbolader mit zwei Eingängen bzw. zweiflutiger Turbolader oder Twin-Scroll-Lader ausgebildet. Ein Auslassanschluss 22a der ersten Leitung 22 ist mit einem der Einlassanschlüsse der Turbine verbunden, und ein Auslassanschluss 24a der zweiten Leitung 24 ist mit dem anderen Einlassanschluss verbunden. Der erste Abgaskrümmer 14, die erste Leitung 22, der zweite Abgaskrümmer 16 und die zweite Leitung 24 entsprechen einem Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt, der eine Abgasleitung von den jeweiligen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 10 zum Turbolader 30 abgrenzt bzw. begrenzt (EN: demarcate). In der folgenden Erläuterung wird eine Abgasleitung, die vom ersten Abgaskrümmer 14 und der ersten Leitung 22 begrenzt ist, als „erste Abgasleitung” bezeichnet, und eine Abgasleitung, die vom zweiten Abgaskrümmer 16 und der zweiten Leitung 24 begrenzt ist, wird als „zweite Abgasleitung” bezeichnet. Eine nicht dargestellte Abgasleitung ist mit einem Auslassanschluss der Turbine verbunden. Ein Katalysator oder dergleichen, der Abgas reinigt, ist in der Hälfte des Weges der Abgasleitung angeordnet. Gemäß dem zweiflutigen Turbolader 30 kann eine Störung von Abgaspulsationen zwischen den Zylindern verhindert werden, so dass ausgezeichnete Aufladungseigenschaften erzielt werden können.
Im Abgasleitungsabschnitt 20 sind ferner ein erster Verbindungspfad 22b und ein zweiter Verbindungspfad 24b, die jeweils von der ersten Leitung 22 und der zweiten Leitung 24 nach außen öffnen, ausgebildet. Eine Verbindungseinheit 50 ist mit dem ersten Verbindungspfad 22b und dem zweiten Verbindungspfad 24b des Abgasleitungsabschnitts 20 über eine Dichtung 40 verbunden. Die Dichtung 40 besteht aus einem Element, das eine wärmeisolierende Funktion hat, und in Abschnitten, die dem ersten Verbindungspfad 22b und dem zweiten Verbindungspfad 24b entsprechen, sind eine erste Öffnung 42 sowie eine zweite Öffnung 44 ausgebildet.
Die Verbindungseinheit 50 wird durch einen Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitt 52, einen Raumbildungsabschnitt 54 und einen Aktuator 56 gebildet. 2 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus des Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitts 52 der Verbindungseinheit 50. 3 ist ferner eine Ansicht zur Erläuterung eines Aufbaus des Raumbildungsabschnitts 54 der Verbindungseinheit 50. Nachfolgend wird der Aufbau der Verbindungseinheit 50 im Detail Bezug nehmend auf die 2 und 3 beschrieben. Im Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitt 52 sind eine erste Öffnung 521, die mit dem ersten Verbindungspfad 22b verbunden ist, sowie eine zweite Öffnung 522, die mit dem zweiten Verbindungspfad 24b verbunden ist, wenn die Verbindungseinheit 50 am Abgasleitungsabschnitt 20 befestigt ist, ausgebildet. Der Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitt 52 umfasst ein erstes Verbindungssteuerventil 523 mit einem Ventilkörper zum Öffnen und Schließen der ersten Öffnung 521, sowie ein zweites Verbindungssteuerventil 524, das einen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung 522 umfasst. Das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 sind derart angeordnet, dass sie die jeweiligen Öffnungen von einer Seite des Raumbildungsabschnitts 54 öffnen und schließen. Der Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitt 52 umfasst ferner eine Welle 525 als Antriebsmechanismus zum Öffnen und Schließen der Ventilkörper des ersten Verbindungssteuerventils 523 und des zweiten Verbindungssteuerventils 524. Die Welle 525 ist drehbar angeordnet und liegt zu einem Raum auf der Seite des Raumbildungsabschnitts 54 bezüglich der Ventilkörper in einem Zustand frei, in welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geschlossen sind. Die Ventilkörper des ersten Verbindungssteuerventils 523 und des zweiten Verbindungssteuerventils 524 sind jeweils an der Welle 525 befestigt und derart ausgestaltet, dass sie ansprechend auf die Rotation der Welle 525 öffnen und schließen. Die Welle 525 wird durch den Aktuator 56 angetrieben. Der Aktuator 56 ist als Membranaktuator ausgestaltet, der beispielsweise durch einen Unterdruck betrieben wird, und mittels einer Halterung 561 am Raumbildungsabschnitt 54 befestigt. Der Aktuator wird durch eine Steuervorrichtung 100 gesteuert.
Im Raumbildungsabschnitt 54 sind eine erste Leitung 541, die mit dem ersten Verbindungspfad 22b verbunden ist, sowie eine zweite Leitung 542, die mit dem zweiten Verbindungspfad 24b verbunden ist, wenn die Verbindungseinheit 50 am Abgasleitungsabschnitt 20 befestigt ist, ausgebildet. Die erste Leitung 541 und die zweite Leitung 542 sind miteinander im Raumbildungsabschnitt 54 verbunden bzw. kommunizieren miteinander. In der ersten Leitung 541 und der zweiten Leitung 542 ist ferner ein Wärmetauscher 543 zum Kühlen von Abgas angeordnet. Der Wärmetauscher 543 ist ein wassergekühlter Wärmetauscher, der einen Wärmeaustausch zwischen Kühlwasser und Abgas ausführt, und ist mit einem Kühlwassereintraganschluss 544 sowie einen Kühlwasserausführanschluss 545 ausgebildet.
2. Merkmale des Systems der ersten Ausführungsform
2-1. Öffnen- und Schließen-Steuerung des Verbindungssteuerventils
Wie vorstehend beschrieben ist, kann bei dem zweiflutigen Turbolader eine Störung von Abgaspulsationen unter den Zylindern verhindert werden, so dass ausgezeichnete Aufladungseigenschaften erzielt werden können. Ein zweiflutiger Turbolader bzw. Twin-Scroll-Lader hat dabei jedoch das Problem, dass der Abgaswiderstand hoch ist und die Ausgangsleistung in einem Hochlastbereich aufgrund des Aufbaus beschränkt ist, obgleich der zweiflutige Turbolader in der Lage ist, das Gesamtlastmoment in einem niedrigen Drehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen. Ein herkömmlicher einflutiger Turbolader kann keine ausreichende Abgasenergie im niedrigen Maschinendrehzahlbereich aufnehmen, so dass dieser keine Ausgangsleistung im niedrigen Maschinendrehzahlbereich erzielen kann.
Der zweiflutige Turbolader 30 im System der vorliegenden Ausführungsform umfasst daher das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 um zu verursachen, dass die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung miteinander in Verbindung treten. Das Öffnen und Schließen des ersten Verbindungssteuerventils 523 und des zweiten Verbindungssteuerventils 524 wird entsprechend dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 gesteuert. Genauer gesagt werden beim System der vorliegenden Ausführungsform das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geschlossen, um die Verbindung der ersten Abgasleitung und der zweiten Abgasleitung im niedrigen Maschinendrehzahlbereich der Verbrennungskraftmaschine 10 zu unterbrechen. Hierdurch funktioniert der Turbolader 30 als zweiflutiger Turbolader. In einem Bereich mit hoher Maschinendrehzahl und hoher Last der Verbrennungskraftmaschine 10 werden dagegen das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geöffnet, um die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung zu verbinden. Hierdurch fungiert der Turbolader 30 als herkömmlicher einflutiger Turbolader. Auf diese Weise kann bei dem zweiflutigen Turbolader 30 mit dem ersten Verbindungssteuerventil 523 und dem zweiten Verbindungssteuerventil 524 eine hohe Ausgangsleistung unabhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 erzielt werden.
Nachfolgend wird der spezifische Prozess des Systems der vorliegenden Ausführungsform zum Öffnen und Schließen der Verbindungssteuerventile beschrieben. 4 zeigt ein Flussschaubild, das eine Routine zum Ausführen des Öffnens und Schließens des Verbindungssteuerventils zeigt. Die in 4 gezeigte Routine wird wiederholt in jeder vorgegebenen Steuerperiode ausgeführt. Bei der in 4 gezeigten Routine wird bestimmt, ob die vorliegende Maschinendrehzahl Net oder mehr ist (Schritt S2). Net repräsentiert dabei einen Maximalwert der Maschinendrehzahl, bei welcher das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 unabhängig von der Maschinenlast geschlossen sein sollten, und es wird ein vorab eingestellter Wert verwendet. Wenn nicht festgestellt wird, dass die Maschinendrehzahl ≥ Net, wird der vorliegende Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 als ein Betriebszustand bestimmt, in welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 unabhängig von der Maschinenlast geschlossen sein sollten. In diesem Fall fährt der Ablauf mit dem nächsten Schritt fort, das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 werden geschlossen (Schritt S4) und die Routine endet.
Wenn in dem vorstehend beschriebenen Schritt S2 festgestellt wird, dass die Maschinendrehzahl ≥ Net ist, wird der vorliegende Betriebszustand als ein Zustand bestimmt, der möglicherweise ein Betriebszustand ist, in welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geöffnet werden sollten, und der Ablauf fährt mit dem nächsten Schritt fort. Im nächsten Schritt wird bestimmt, ob die Maschinenlast KLt oder mehr ist (Schritt S6). 5 zeigt ein Kennfeld, das den Öffnungs- und Schließzustand des Verbindungssteuerventils bezüglich des Betriebszustands der Verbrennungskraftmaschine spezifiziert. KLt ist bei dem in 5 gezeigten Kennfeld als Minimalwert der Maschinenlast eingestellt, bei der das Verbindungssteuerventil bei der gegebenen Maschinendrehzahl geöffnet werden sollte. Wenn nicht festgestellt wird, dass die Maschinenlast ≥ KLt ist, fährt der Ablauf mit dem vorstehend beschriebenen Schritt S4 fort, das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 werden geschlossen, und die Routine endet. Wenn dagegen in dem vorstehend beschriebenen Schritt S6 festgestellt wird, dass die Maschinenlast ≥ KLt ist, kann der vorliegende Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine als ein Betriebszustand bestimmt werden, in welchem das Verbindungssteuerventil geöffnet werden sollte. In diesem Fall fährt der Ablauf mit dem nächsten Schritt fort, das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 werden geöffnet (Schritt S8) und die Routine endet. Auf diese Weise wird es gemäß dem System der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Öffnen und Schließen der Verbindungssteuerventile entsprechend dem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 zu steuern.
Es sei angemerkt, dass das Öffnen und Schließen des ersten Verbindungssteuerventils 523 und des zweiten Verbindungssteuerventils 524 nicht auf das Verfahren der vorstehend beschriebenen Routine beschränkt ist. Das bedeutet: bei der Öffnen- und Schließen-Steuerung des ersten Verbindungssteuerventils 523 und des zweiten Verbindungssteuerventils 524 kann das Öffnen und Schließen der Verbindungssteuerventile abhängig davon gesteuert werden, ob der Betriebszustand, der basierend auf der Maschinendrehzahl und der Maschinenlast eingestellt wurde, in den Öffnungsbereich oder den Schließbereich der Verbindungssteuerventile bei dem in 5 gezeigten Kennfeld fällt.
2-2. Merkmal der Verbindungseinheit 50
2-2-1. Merkmal des Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitts
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau des Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitts 52 ist die Welle 525 zu einem Raum auf der Seite des Raumbildungsabschnitts 54 bezüglich dem Ventilkörper in einem Zustand freiliegend angeordnet, bei welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geschlossen sind. Wenn das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geschlossen sind, ist der Raumbildungsabschnitt 54 von dem heißen Abgas bzw. Abgas mit hoher Temperatur, das in der ersten Abgasleitung und der zweiten Abgasleitung strömt, isoliert. Folglich kann, in dem Zustand, bei welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geschlossen sind, verhindert werden, dass die Welle 525 dem heißen Abgas ausgesetzt ist, so dass das Auftreten einer Fehlfunktion der Welle 525 aufgrund der Hitze effektiv verhindert werden kann.
2-2-2. Merkmal des Raumbildungsabschnitts
6 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung der Maschinenausgangsleistung zu einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Um zu verhindern, dass die Temperatur des in den Katalysator strömenden Abgases übermäßig hoch wird, wird eine Kraftstofferhöhungssteuerung zum Erhöhen des den Zylindern zugeführten Kraftstoffs manchmal in einen vorgegebenen Bereich mit hoher Maschinendrehzahl und hoher Last ausgeführt. Wenn jedoch, wie in 6 gezeigt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aufgrund der Kraftstofferhöhungssteuerung in Richtung zu einer fetten Kraftstoffseite wechselt, wird die Maschinenausgangsleistung verringert.
Gemäß dem Aufbau der Verbindungseinheit 50 im System der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmetauscher 543 zum Kühlen des Abgases in der ersten Leitung 541 und der zweiten Leitung 542 angeordnet. Gemäß einer derartigen Konfiguration wird das Abgas, das in die erste Abgasleitung und die zweite Abgasleitung strömt, im Bereich hoher Maschinendrehzahl und hoher Last, in welchem das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geöffnet sind, durch die Verbindungseinheit 50 gekühlt. Hierdurch kann die Temperatur des Abgases, das in den Katalysator strömt, verringert werden, und es ist möglich, eine Verringerung der Maschinenausgangsleistung zu vermeiden, indem eine Änderung bei der Ausführung der Kraftstofferhöhungssteuerung verringert wird, wodurch eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz vermieden wird.
Darüber hinaus ist das Motorkühlwasser, das in einem Hauptkörper der Verbrennungskraftmaschine 10 fließt, ausgestaltet, um in den Wärmetauscher 543 eingebracht zu werden. Das Motorkühlwasser wird üblicherweise auf eine Temperatur von etwa 80°C geregelt, und ist daher höher als ein Taupunkt (beispielsweise etwa 40°C) des Abgases. Zum Zeitpunkt eines Kaltstarts der Verbrenungskraftmaschine 10 oder dergleichen jedoch erreicht die Temperatur des Motorkühlwassers manchmal nicht den Taupunkt des Abgases. Bei dem System der vorliegenden Ausführungsform wird daher, wenn die Temperatur des Motorkühlwassers der Taupunkt des Abgases oder niedriger ist, der Aktuator durch die Steuervorrichtung 100 betätigt, so dass das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 in einem geschlossenen Zustand gehalten werden. Hierdurch ist es möglich, eine Taukondensation im Wärmetauscher 543 zu vermeiden, wodurch Korrosion verhindert werden kann.
2-2-3. Merkmal der Dichtung
Im System der vorliegenden Ausführungsform sind der erste Verbindungspfad 22b und der zweite Verbindungspfad 24b des Abgasleitungsabschnitts 20 mit der Verbindungseinheit 50 über eine Dichtung 40 verbunden. Da die Dichtung 40 wie vorstehend beschrieben aus einem Material besteht, das Wärmeisolierungseigenschaften hat, kann eine Wärmeübertragung auf die Verbindungseinheit 50 von dem ersten Verbindungspfad 22b und dem zweiten Verbindungspfad 24b effektiv verhindert werden.
2-2-4. Merkmal des Aktuators
Da die Dichtung 40 zwischen dem Abgasleitungsabschnitt 20 und der Verbindungseinheit 50 wie vorstehend beschrieben angeordnet ist, wird ein Wärmetransfer bzw. Wärmeübergang auf den Raumbildungsabschnitt 54 vom Abgasleitungsabschnitt 20 verhindert. Darüber hinaus umfasst der Raumbildungsabschnitt 54 den Wärmetauscher 543, so dass eine Oberfläche und die Umgebung des Raumbildungsabschnitts 54 eine niedrigere Temperatur als andere Komponenten des Abgassystems aufweisen. Da der Aktuator 56 der vorliegenden Ausführungsform mittels der Halterung 561 am Raumbildungsabschnitt 54 befestigt ist, kann verhindert werden, dass die Temperatur des Aktuators 56 auf eine hohe Temperatur ansteigt. Hierdurch kann das Auftreten einer Fehlfunktion des Aktuators 56 effektiv verhindert werden.
3. Abwandlungen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedenartig innerhalb des Umfangs derselben modifizierte Art und Weise ausgeführt werden, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielweise können die folgenden Abwandlungen verwendet werden.
Die Verbindungseinheit 50 des Systems der ersten Ausführungsform kann auch als Entnahmeanschluss für Abgas (EGR-Gas) fungieren, das zum Ansaugsystem zurückgeführt wird. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Abwandlung der Verbindungseinheit. Wie in 7 gezeigt ist, hat die Verbindungseinheit 50 eine EGR-Leitung 546, die mit dem Inneren des Raumbildungsabschnitts 54 verbunden ist. Mit einer derartigen Konfiguration kann das Abgas, das vom Wärmetauscher 543 gekühlt wird, über die EGR-Leitung 546 entnommen werden, so dass Abgas mit niedriger Temperatur dem Ansaugsystem zurückgeführt werden kann, ohne dass ein zusätzlicher EGR-Kühler notwendig ist.
Beim System der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform werden der erste Verbindungspfad 22b und der zweite Verbindungspfad 24b jeweils durch das erste Verbindungssteuerventil 523 und das zweite Verbindungssteuerventil 524 geöffnet und geschlossen. Der Aufbau des Verbindungssteuerventils ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und es kann beispielsweise ein Aufbau verwendet werden, der den ersten Verbindungspfad 22b und den zweiten Verbindungspfad 24b mittels eines einzigen Verbindungssteuerventils öffnet und schließt. 8 ist eine Explosionsansicht zur Erläuterung einer Abwandlung des Aufbaus des Verbindungssteuerventils. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist ein einzelnes Verbindungssteuerventil 548 im Öffnungs- und Schließmechanismus-Abschnitt 52 vorgesehen. Das Verbindungssteuerventil 548 ist derart ausgestaltet, dass es den ersten Verbindungspfad 22b und den zweiten Verbindungspfad 24b, die im Abgasleitungsabschnitt ausgestaltet sind, im geschlossenen Ventilzustand schließt. Gemäß diesem Aufbau wird es möglich, die Verbindung des ersten Verbindungspfades 22b und des zweiten Verbindungspfades 24b durch Rotieren der Welle 525 durch den Aktuator 56 umzuschalten und zu unterbrechen.
9 zeigt eine Explosionsansicht zur Erläuterung einer weiteren Abwandlung des Aufbaus des Verbindungssteuerventils. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel sind ein einzelnes Verbindungssteuerventil 549 und die Welle 525 als Antriebsmechanismus auf der Seite des Abgasleitungsabschnitts 20 angeordnet. Zudem ist das Verbindungssteuerventil 549 derart ausgestaltet, dass es sowohl den ersten Verbindungspfad 22b als auch den zweiten Verbindungspfad 24b, die im Abgasleitungsabschnitt ausgebildet sind, im geschlossenen Ventilzustand schließt. Mittels dieser Konfiguration wird es möglich, die Verbindung des ersten Verbindungspfades 22b und des zweiten Verbindungspfades 24b durch Rotieren der Welle 525 durch den Aktuator 56 umzuschalten und zu unterbrechen.
Zudem ist bei dem System der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ein Aufbau beschrieben, in welchem der Wärmetauscher 543 im Raumbildungsabschnitt 54 in der Verbindungseinheit 50 ausgestaltet ist, wobei der Wärmetauscher 543 nicht unentbehrlich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2015-040542 A [0003]
JP 63-117124 A [0003]
US 2010/0083920 A1 [0003]

Claims

Verbrennungskraftmaschine (10), aufweisend: eine erste Abgasleitung (14, 22), in der Abgas strömt, das von einer ersten Zylindergruppe der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer Mehrzahl von Zylindern ausgestoßen wird; eine zweite Abgasleitung (16, 24), in der Abgas strömt, das von einer zweiten Zylindergruppe ausgestoßen wird, die durch andere Zylinder als die der ersten Zylindergruppe gebildet ist; einen zweiflutigen Turbolader (30), mit welchem die erste Abgasleitung (14, 22) und die zweite Abgasleitung (16, 24) jeweils unabhängig verbunden sind; einen Raumbildungsabschnitt (54), der einen Raum bildet, der mit der ersten Abgasleitung (14, 22) über einen ersten Verbindungspfad (22b) verbunden ist und mit der zweiten Abgasleitung (16, 24) über einen zweiten Verbindungspfad (24b) verbunden ist; ein Verbindungssteuerventil (523, 524), das den ersten Verbindungspfad (22b) und den zweiten Verbindungspfad (24b) öffnet und schließt; und einen Antriebsmechanismus (525), der mit einem Ventilkörper des Verbindungssteuerventils (523, 524) verbunden ist, und den Ventilkörper antreibt, um den Ventilkörper zu öffnen und zu schließen, wobei der Antriebsmechanismus (525) auf einer Seite des Raumbildungsabschnitts (54) bezüglich des Ventilkörpers in einem Zustand angeordnet ist, in welchem der Ventilkörper geschlossen ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, wobei ein Katalysator in der Abgasleitung an einer stromabwärtigen Seite des Turboladers (30) angeordnet ist, und die Verbrennungskraftmaschine (10) weiter aufweist: einen Wärmetauscher (543), der in dem Raumbildungsabschnitt (54) angeordnet ist und zum Kühlen von Gas in dem Raumbildungsabschnitt (54) dient.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, weiter aufweisend einen Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt (14, 22, 16, 24), der die erste Abgasleitung (14, 22) und die zweite Abgasleitung (16, 24) begrenzt, wobei der Raumbildungsabschnitt (54) am Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt (14, 22, 16, 24) befestigt ist, und eine Dichtung (40) zur Wärmeisolierung zwischen dem Raumbildungsabschnitt (54) und dem Abgasleitungsbegrenzungsabschnitt (14, 22, 16, 24) angeordnet ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2 oder 3 weiter aufweisend: einen Aktuator (56), der das Verbindungssteuerventil (523, 524) durch Betätigen des Antriebsmechanismus (525) öffnet und schließt, wobei der Aktuator (56) am Raumbildungsabschnitt (54) befestigt ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, weiter aufweisend: einen Aktuator (56), der das Verbindungssteuerventil (523, 524) durch Betätigen des Antriebsmechanismus (525) öffnet und schließt; und eine Steuervorrichtung (100), die den Aktuator (56) steuert, wobei der Wärmetauscher (543) als Wasserkühlungswärmetauscher ausgestaltet ist, in welchem Kühlwasser fließt, und die Steuervorrichtung (100) den Aktuator (56) betätigt, um das Verbindungssteuerventil (523, 524) in einem geschlossenen Zustand zu halten, wenn eine Temperatur des Kühlwassers ein Taupunkt des Abgases oder weniger ist.