DE102017210583A1

DE102017210583A1 - Brennkraftmaschine mit drei Zylindern und Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017210583A1
Application number: DE102017210583.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Babernits; Claus Reulein
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Brennkraftmaschine mit drei Zylindern, mit einer Abgasanlage, in der eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei drei Abgasauslässe der Zylinder in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine in einen Abgaskrümmer münden, der Abgas führend mit der Turbine verbunden ist, wobei der Abgasturbolader ein zweiflutiger Abgasturbolader oder ein Twin-Scroll-Abgasturbolader mit einem ersten und einem zweiten, voneinander getrennten Abgaseinlässen ist, wobei der erste Abgaseinlass über ein erstes Abgasrohr und der zweite Abgaseinlass mit einem zweiten Abgasrohr Abgas führend mit dem Abgaskrümmer verbunden ist, wobei in einem Abgasrohr ein Absperrelement angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Robustheit bei Dreizylinder-Brennkraftmaschinen hinsichtlich hoher Abgasgegendrücke gesteigert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit drei Zylindern mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die Deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2015 116 963 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift sind Verfahren und Systeme zum Steuern der Übergänge zwischen den Betriebsmodi einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine beschrieben. Ein Verfahren enthält das Überführen des Betriebs der Brennkraftmaschine zwischen Zweizylinder-, Dreizylinder-, und Vierzylinderbetrieb, wobei das Überführen eine Folge von Zündereignissen enthält, so dass die aufeinanderfolgenden Zündereignisse um Intervalle von wenigstens 120° Kurbelwinkel getrennt sind. Ausgangspunkt hierfür ist eine Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Twinscroll-Abgasturbolader.
Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 211 384 A1 eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und mindestens zwei Zylindern bekannt. Jeder Zylinder weist mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder über ein Abgasabführsystem auf, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt. Mindestens zwei Zylinder sind derart konfiguriert, dass sie mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die mindestens zwei Gesamtabgasleitungen mit einer mehrflutigen Turbine sind in der Art verbunden, dass jede mit einer der mindestens zwei Fluten der Turbine verbunden ist. Die mindestens zwei Fluten sind bis hin zu dem Laufrad mittels Gehäusewandungen voneinander getrennt, wobei die mindestens zwei Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens eines Überströmkanals stromaufwärts des mindestens einen Laufrads miteinander verbindbar sind. Hierzu ist eine erste verschwenkbare Klappe vorgesehen, die in einer Schließstellung die mindestens zwei Fluten der Turbine voneinander trennt und in einer Offenstellung die mindestens zwei Fluten der Turbine durch Freigeben des Überströmkanals miteinander verbindet.
Mit dieser bekannten Vorrichtung soll eine Stoßaufladung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine die zwei, vier sechs oder acht Zylinder aufweist, dargestellt werden.
Bei Dreizylindermotoren ist es Stand der Technik, Monoscroll-Turbinen oder VTG-Turbolader (Variable Turbinen Geometrie) einzusetzen.
Weiter ist aus der Europäischen Patentanmeldung EP 2 058 484 A1 von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt mit einem Zylinderkopf mit mindestens zwei Zylindern, von denen jeder mindestens eine Auslassöffnung für die Abgase aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus diesem Zylinder anschließt. Die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Weiter ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine Turbine umfasst, die einen Eintrittsbereich zur Zuführung des Abgases und einen Austrittsbereich zur Abführung des Abgases aufweist. Gekennzeichnet ist diese aufgeladene Brennkraftmaschine dadurch, dass die Turbine eine Axialturbine ist, wobei der Eintrittsbereich der Axialturbine koaxial zur Welle der Axialturbine verläuft und derart ausgebildet ist, dass die Zuströmung des Abgases zur Turbine im Wesentlichen axial erfolgt und stromaufwärts der Turbine kein weiteres Aggregat angeordnet ist.
Mit dieser vorgeschlagenen Ausgestaltung soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine dargestellt werden, bei der die Abgasströmung möglichst verlustarm, d. h. unter möglichst geringen Energieeinbußen bis zur Turbine geleitet wird, so dass in der Turbine ein möglichst energiereiches Abgas bereitsteht.
Nachteilig an dieser bekannten Ausgestaltung ist die Tatsache, dass der Abgasturbolader einen relativ hohen Abgasgegendruck aufweist.
Darüber hinaus führen auch Monoscroll-Turbinen zu hohen Abgasgegendrücken und dadurch zu Nachteilen im Kraftstoffverbrauch, der maximal darstellbaren Leistung und im Ansprechverhalten, insbesondere bei Verwendung eines Ottopartikelfilters.
Eine variable Turbinengeometrie (VTG) ermöglicht prinzipiell eine Auflösung des Konflikts Abgasgegendruck gegenüber Response, allerdings ist insbesondere für Otto-Brennkraftmaschinen eine Absenkung der Abgastemperatur erforderlich, wodurch die Vorteile praktisch nicht umsetzbar sind. Gleichzeitig sind variable Turbinengeometrien teure und komplexe Systeme, ein Einsatz bei Otto-Brennkraftmaschinen ist hinsichtlich Bauteilfestigkeit temperaturbedingt kritisch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Robustheit bei Dreizylindermotoren hinsichtlich hoher Abgasgegendrücke zu steigern.
Diese Aufgabe wird hardwaremäßig durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig durch die Merkmale in den Patentansprüchen 2 und 3 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Ersatz einer Monoscroll-Turbine durch eine zweiflutige Turbine, eine Twinscroll-Turbine, vorgeschlagen. Zusätzlich wird eine Schalteinrichtung (Absperrelement) in einem Abgasrohr vor der Turbine vorgeschlagen, die es ermöglicht, in niedrigen Drehzahlbereichen nur eine Flut der Turbine zu beaufschlagen und im hohen Drehzahlbereich die zweite Flut für das Abgas zu öffnen und damit den Abgasgegendruck massiv abzusenken. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern wird die Robustheit hinsichtlich hoher Abgasgegendrücke deutlich gesteigert. Die Absenkung des Abgasgegendrucks gegenüber konventioneller Aufladung führt zu einer Absenkung des Anfettungsbedarfs (Lambda < 1) zur Kühlung der Turbine und somit zu einer CO₂ Reduzierung. Darüber hinaus wird eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers (Response) erzielt. Weiter wird in vorteilhafter Weise aufgrund des niedrigeren Abgasgegendrucks die Abgastemperatur abgesenkt, was zu einer Reduzierung des Kühlbedarfs führt und somit für zylinderkopfintegrierte Konzepte (ZIK), Abgaskrümmer im Zylinderkopf integriert, geeignet ist. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise eine extrem einfache Bauart, die keinen Einfluss auf den Zylinderkopf hat und im Gegensatz zu ähnlichen Konzepten, die beispielsweise ein Schaltelement im Auslassventil vorsehen, sehr kostengünstig. Weiter ist es in vorteilhafter Weise modular einsetzbar, z. B. zwei Twin-Scroll-Abgasturbolader für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine, ohne aufwendige Veränderungsmaßnahmen im Zylinderkopf.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern und Abgasturboaufladung kann somit mit zwei Verfahren betrieben werden:

1. Dass das Absperrelement bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine geschlossen wird und
2. dass das Absperrelement bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine geöffnet wird.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert.

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit drei Zylindern und einer Turbine eines Abgasturboladers.

1 zeigt vereinfacht eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit drei Zylindern Z, mit einer Abgasanlage, in der eine Turbine 2 eines Abgasturboladers angeordnet ist. Eine Abtriebswelle der Turbine ist nicht beziffert. Drei ebenfalls nicht bezifferte Abgasauslässe der Zylinder Z münden in Strömungsrichtung eines Abgases vor der Turbine 2 in einen Abgaskrümmer 3, der abgasführend mit der Turbine 2 verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist der Abgasturbolader ein zweiflutiger Abgasturbolader oder ein Twinscroll-Abgasturbolader mit einem ersten und einem zweiten, voneinander getrennten Abgaseinlässen 4, 5. Der erste Abgaseinlass 4 ist über ein erstes Abgasrohr 6 und der zweite Abgaseinlass 5 ist mit einem zweiten Abgasrohr 7 Abgas führend mit dem Abgaskrümmer 3 verbunden. Weiter ist in einem Abgasrohr 6, 7 ein Absperrelement 8 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel im zweiten Abgasrohr 7. Das Absperrelement 8 kann auch im ersten Abgasrohr 6 angeordnet sein.
Das Absperrelement 8 kann beispielsweise eine Abgasklappe oder eine Verschlusswalze sein. Das erste Abgasrohr 6 und das zweite Abgasrohr 7 sind definiert durch das Abgasrohr inklusive dem Turbinengehäuse, bis hin zur Turbine 2. Dies bedeutet, dass das Absperrelement 8 kann auch in dem Turbinengehäuse angeordnet sein kann.
Bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 wird das Absperrelement 8 vorzugsweise geschlossen.
Bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 wird das Absperrelement 8 geöffnet.
Unter niedriger Drehzahl wird ein Drehzahlbereich vom Leerlauf bis ca. 3000 1/min und unter hoher Drehzahl wird ein Drehzahlbereich von ca. 3000 1/min bis etwa der maximalen Drehzahl verstanden, wobei der Übergabepunkt auch um +/- 1500 1/min darüber oder darunter sein kann.
Erfindungsgemäß wird der Ersatz einer Monoscroll-Turbine durch eine zweiflutige Turbine, eine Twinscroll-Turbine, vorgeschlagen. Zusätzlich wird eine Schalteinrichtung (Absperrelement) in einem Abgasrohr vor der Turbine vorgeschlagen, die es ermöglicht, in niedrigen Drehzahlbereichen nur eine Flut der Turbine zu beaufschlagen und im hohen Drehzahlbereich die zweite Flut für das Abgas zu öffnen und damit den Abgasgegendruck massiv abzusenken. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern wird die Robustheit hinsichtlich hoher Abgasgegendrücke deutlich gesteigert. Die Absenkung des Abgasgegendrucks gegenüber konventioneller Aufladung führt zu einer Absenkung des Anfettungsbedarfs (Lambda < 1) zur Kühlung der Turbine und somit zu einer CO₂ Reduzierung. Darüber hinaus wird eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers (Response) erzielt. Weiter wird in vorteilhafter Weise aufgrund des niedrigeren Abgasgegendrucks die Abgastemperatur abgesenkt, was zu einer Reduzierung des Kühlbedarfs führt und somit für zylinderkopfintegrierte Konzepte (ZIK), Abgaskrümmer im Zylinderkopf integriert, geeignet ist.
Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise eine extrem einfache Bauart, die keinen Einfluss auf den Zylinderkopf hat und im Gegensatz zu ähnlichen Konzepten, die beispielsweise ein Schaltelement im Auslassventil vorsehen, sehr kostengünstig. Weiter ist es in vorteilhafter Weise modular einsetzbar, z. B. zwei Twin-Scroll-Abgasturbolader für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine, ohne aufwendige Veränderungsmaßnahmen im Zylinderkopf.
Bezugszeichenliste

1.: Brennkraftmaschine
2.: Turbine
3.: Abgaskrümmer
4.: erster Abgaseinlass
5.: zweiter Abgaseinlass
6.: erstes Abgasrohr
7.: zweites Abgasrohr
8.: Absperrelement
Z: Zylinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015116963 A1 [0002]
DE 102013211384 A1 [0003]
EP 2058484 A1 [0006]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zumindest drei Zylindern (Z), mit einer Abgasanlage, in der eine Turbine (2) eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei drei Abgasauslässe der Zylinder (Z) in Strömungsrichtung des Abgases vor der Turbine (2) in einen Abgaskrümmer (3) münden, der Abgas führend mit der Turbine (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader ein zweiflutiger Abgasturbolader oder ein Twin-Scroll-Abgasturbolader mit einem ersten und einem zweiten, voneinander getrennten Abgaseinlässen (4, 5) ist, wobei der erste Abgaseinlass (4) über ein erstes Abgasrohr (6) und der zweite Abgaseinlass (5) mit einem zweiten Abgasrohr (7) Abgas führend mit dem Abgaskrümmer (3) verbunden ist, wobei in einem Abgasrohr (6, 7) ein Absperrelement (8) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (8) bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) geschlossen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (8) bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) geöffnet wird.