DE102017212065B4 - Supercharged internal combustion engine with turbines arranged in parallel and a method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Zylindern (2), einem Ansaugsystem (11) zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem (5) zum Abführen von Abgas, bei der- jeder Zylinder (2) mindestens zwei Auslassöffnungen (4, 4a, 4b) zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung (4a) ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung (4, 4a, 4b) eine Abgasleitung (5a, 5b) zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (5) anschließt,- mindestens zwei Abgasturbolader (8, 9) vorgesehen sind, von denen jeder einen im Ansaugsystem (11) angeordneten Verdichter (8b, 9b) und eine im Abgasabführsystem (5) angeordnete Turbine (8a, 9a) umfasst, wobei die Turbinen (8a, 9a) parallel im Abgasabführsystem (5) angeordnet sind,- die Abgasleitungen (5a) der zuschaltbaren Auslassöffnungen (4a) der mindestens zwei Zylinder (2) unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (6a) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (7a) zusammenführen, welche mit der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) verbunden ist,- die Abgasleitungen (5b) der anderen Auslassöffnungen (4b) der mindestens zwei Zylinder (2) unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (6b) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (7b) zusammenführen, welche mit der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) verbunden ist, und- eine erste Abgasrückführung (3) vorgesehen ist, umfassend eine erste Rückführleitung (3a), die stromaufwärts der Turbine (9a) des zweiten Abgasturboladers (9) aus dem Abgasabführsystem (5) abzweigt und stromabwärts der Verdichter (8b, 9b) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (3d) in das Ansaugsystem (11) mündet, wobei die erste Rückführleitung (3a) mit einem ersten AGR-Ventil (3b) zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass- eine zweite Abgasrückführung (15) vorgesehen ist, umfassend eine zweite Rückführleitung (15a), die aus dem der Turbine (8a) des ersten Abgasturboladers (8) zugehörigen Abgasabführsystem (5) abzweigt, wobei die zweite Rückführleitung (15a) mit einem zweiten AGR-Ventil (15b) ausgestattet ist.Supercharged internal combustion engine (1) with at least two cylinders (2), an intake system (11) for supplying charge air and an exhaust gas removal system (5) for removing exhaust gas, in which each cylinder (2) has at least two outlet openings (4, 4a, 4b ) for discharging the exhaust gases, of which at least one is designed as a switchable outlet opening (4a), each outlet opening (4, 4a, 4b) being connected to an exhaust line (5a, 5b) for discharging the exhaust gases via an exhaust gas discharge system (5), - At least two exhaust gas turbochargers (8, 9) are provided, each of which comprises a compressor (8b, 9b) arranged in the intake system (11) and a turbine (8a, 9a) arranged in the exhaust gas discharge system (5), the turbines (8a, 9a) are arranged in parallel in the exhaust gas discharge system (5), - the exhaust lines (5a) of the connectable outlet openings (4a) of the at least two cylinders (2) to form a first exhaust manifold (6a) merge to form a first overall exhaust line (7a), which with theTurbine (8a) of the first exhaust gas turbocharger (8) is connected, - the exhaust lines (5b) of the other outlet openings (4b) of the at least two cylinders (2) to form a second exhaust manifold (6b) merge to form a second overall exhaust line (7b), which is connected to the turbine (9a) of the second exhaust gas turbocharger (9), and a first exhaust gas recirculation (3) is provided, comprising a first recirculation line (3a), the upstream of the turbine (9a) of the second exhaust gas turbocharger (9) from the exhaust gas discharge system (5) branches off and downstream the compressor (8b, 9b) opens into the intake system (11) forming a first junction (3d), the first return line (3a) with a first EGR valve (3b) for adjusting the amount of recirculated exhaust gas is equipped, characterized in that a second exhaust gas recirculation (15) is provided, comprising a second recirculation line (15a), which from the turbine (8a) of the first exhaust gas turbocharger (8) associated exhaust gas exhaust ührsystem (5) branches off, wherein the second return line (15a) is equipped with a second EGR valve (15b).
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, bei der
- - jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, von denen jeder einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, wobei die Turbinen parallel im Abgasabführsystem angeordnet sind,
- - die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
- - die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
- - eine erste Abgasrückführung vorgesehen ist, umfassend eine erste Rückführleitung, die stromaufwärts der Turbine des zweiten Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts der Verdichter unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei die erste Rückführleitung mit einem ersten AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ausgestattet ist.
- - Each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases, of which at least one is designed as an outlet opening that can be switched on, each outlet opening being followed by an exhaust line for discharging the exhaust gases via an exhaust gas discharge system,
- - At least two exhaust gas turbochargers are provided, each of which comprises a compressor arranged in the intake system and a turbine arranged in the exhaust gas discharge system, the turbines being arranged in parallel in the exhaust gas discharge system,
- - The exhaust lines of the connectable outlet openings of the at least two cylinders combine to form a first exhaust manifold to form a first overall exhaust line, which is connected to the turbine of the first exhaust gas turbocharger,
- - the exhaust lines of the other outlet openings of the at least two cylinders combine to form a second exhaust manifold to form a second overall exhaust line which is connected to the turbine of the second exhaust gas turbocharger, and
- - A first exhaust gas recirculation is provided, comprising a first recirculation line, which branches off from the exhaust gas discharge system upstream of the turbine of the second exhaust gas turbocharger and downstream of the compressor opens into the intake system with the formation of a first node, the first return line having a first EGR valve for setting the recirculated exhaust gas is equipped.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine aufgeladene Brennkraftmaschine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention also relates to a supercharged internal combustion engine for carrying out such a method.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antrieb sverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used, for example, as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes, in particular, gasoline engines, but also diesel engines and hybrid internal combustion engines that use a hybrid internal combustion process, as well as hybrid drives that, in addition to the internal combustion engine, include an electric machine that can be driven with the internal combustion engine and that provides power from the internal combustion engine absorbs or delivers additional power as a switchable auxiliary drive.
Die
Die Abgasleitungen jeweils einer Auslassöffnung der vier Zylinder führen unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammen, die mit einem Abgasnachbehandlungssystem verbunden ist.The exhaust lines of one outlet opening of the four cylinders each merge with the formation of a first exhaust manifold to form a first overall exhaust line which is connected to an exhaust gas aftertreatment system.
Die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der vier Zylinder führen unter Ausbildung von zwei separaten Abgaskrümmern zu zwei voneinander getrennten Gesamtabgasleitungen zusammen, wobei jede der beiden Gesamtabgasleitungen mit der Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist.The exhaust lines of the other outlet openings of the four cylinders merge with the formation of two separate exhaust manifolds to form two total exhaust lines, each of the two total exhaust lines being connected to the turbine of an exhaust gas turbocharger.
Für die beiden Gruppen von Auslassöffnungen können voneinander unabhängige Ventilbetätigungseinrichtungen verwendet werden, d.h. die zugehörigen Ventile sind unabhängig voneinander betätigbar.Independent valve actuation devices can be used for the two groups of outlet openings, i.e. the associated valves can be actuated independently of one another.
Die
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.In recent years, there has been a development towards supercharged engines, with the economic importance of these engines for the automotive industry increasing steadily.
Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die eingebrachte Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.Supercharging is primarily a process for increasing performance, in which the air required for the engine combustion process is compressed, so that a larger air mass can be supplied to each cylinder per work cycle. This allows the fuel mass introduced and thus the mean pressure to be increased.
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 verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.Supercharging is a suitable means of increasing the output of an internal combustion engine with unchanged cubic capacity or reducing the cubic capacity with the same output. In any case, the charging leads to an increase in the installation space performance and a more favorable power mass. If the cubic capacity is reduced, the collective load becomes possible Shift towards higher loads at which the specific fuel consumption is lower.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.The supercharging consequently supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, i. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.With a suitable transmission design, so-called downspeeding can also be implemented, which also results in a lower specific fuel consumption. Downspeeding takes advantage of the fact that the specific fuel consumption is regularly lower at low engine speeds, especially at higher loads.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt.Often an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust gas flow is fed to the turbine and relaxes with the release of energy in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy released by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also located on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, as a result of which the cylinders are charged. A charge air cooler is advantageously provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before it enters the at least one cylinder. The cooler lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler also provides better filling of the cylinders, i.e. H. contributes to a larger air mass.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem - mittels Hilfsantrieb antreibbaren - Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a supercharger that can be driven by an auxiliary drive is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a charger draws the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine and thus, at least as long as the drive energy does not originate from energy recovery, adversely affects the efficiency, d. H. diminishes.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.If it is not an electric machine, i. H. Electrically drivable charger is a mechanical or kinematic connection for power transmission between the charger and the internal combustion engine, which also influences the packaging in the engine compartment.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar häufig unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.The advantage of a supercharger over an exhaust gas turbocharger is that the supercharger can always generate and provide the requested boost pressure, often independently of the operating state of the internal combustion engine. This applies in particular to a charger that can be driven electrically by means of an electric machine and is therefore independent of the speed of the crankshaft.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.According to the prior art, it is difficult to increase the performance by means of exhaust gas turbocharging in all speed ranges. A greater drop in torque is observed when the speed falls below a certain level. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio or the turbine power. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio or a smaller turbine output. Consequently, the boost pressure ratio also decreases towards lower engine speeds. This is equivalent to a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.According to the prior art, attempts are made to improve the torque characteristics of a supercharged internal combustion engine by means of various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet die Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstroms im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.For example, through a small design of the turbine cross-section and simultaneous exhaust gas blow-off. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the amount of exhaust gas exceeds a critical value, part of the exhaust gas flow is guided past the turbine by means of a bypass line as part of the so-called exhaust gas blow-off. This procedure has the disadvantage that the charging behavior is inadequate at higher speeds or larger amounts of exhaust gas.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of several exhaust gas turbochargers connected in series. By connecting two exhaust gas turbochargers in series, of which one exhaust gas turbocharger serves as the high pressure stage and one exhaust gas turbocharger serves as the low pressure stage, the compressor map can be expanded in an advantageous manner, both towards smaller compressor flows and towards larger compressor flows.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird.In particular, in the case of the exhaust gas turbocharger serving as a high-pressure stage, it is possible to shift the surge limit to smaller compressor flows, which means that high boost pressure ratios can be achieved even with small compressor flows, which significantly improves the torque characteristics in the lower speed range. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a bypass line with which exhaust gas is increasingly led past the high-pressure turbine as the exhaust gas mass flow increases.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.The torque characteristics of a supercharged internal combustion engine can furthermore be improved by a plurality of turbochargers arranged in parallel, ie by a plurality of turbines arranged in parallel with a smaller turbine cross-section, with the turbines being switched on successively as the amount of exhaust gas increases.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens zwei Abgasturbolader, deren Turbinen parallel im Abgasabführsystem angeordnet sind. Mindestens eine Turbine ist als zuschaltbare Turbine ausgebildet, welche nur bei größeren Abgasmengen mit Abgas beaufschlagt wird, d. h. aktiviert wird.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least two exhaust gas turbochargers for the purpose of charging, the turbines of which are arranged in parallel in the exhaust gas discharge system. At least one turbine is designed as a switchable turbine, which is only acted upon with exhaust gas in the case of larger amounts of exhaust gas, i. H. is activated.
Jeder Zylinder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit mindestens zwei Auslassöffnungen ausgestattet, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist. Die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder werden dann gruppenweise in der Art zusammen geführt, dass die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen jeweils unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammengeführt werden.Each cylinder of the internal combustion engine according to the invention is equipped with at least two outlet openings, of which at least one is designed as a switchable outlet opening. The exhaust lines of the at least two cylinders are then brought together in groups in such a way that the exhaust lines of the connectable outlet openings and the exhaust lines of the other outlet openings are each combined to form an overall exhaust line with the formation of an exhaust manifold.
Die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen führen zu der Turbine des ersten Abgasturboladers und die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen zu der Turbine des zweiten Abgasturboladers. Die den zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeordnete erste Turbine ist damit als zuschaltbare Turbine ausgebildet. Nur bei größeren Abgasmengen werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen im Rahmen des Ladungswechsels wie üblich geöffnet und dadurch die zuschaltbare Turbine aktiviert, d. h. mit Abgas beaufschlagt.The exhaust lines of the connectable outlet openings lead to the turbine of the first exhaust gas turbocharger and the exhaust lines of the other outlet openings lead to the turbine of the second exhaust gas turbocharger. The first turbine assigned to the connectable outlet openings is thus designed as a connectable turbine. Only in the case of larger amounts of exhaust gas are the switchable outlet openings opened as usual during the gas exchange, thereby activating the switchable turbine, i.e. H. charged with exhaust gas.
Im Vergleich zu Konzepten, bei denen stromaufwärts der beiden Turbinen ein einziges zusammenhängendes Abgasleitungssystem vorgesehen ist, verbessert sich durch die vorstehend beschriebene Gruppierung, d. h. die Verwendung zweier voneinander getrennter Abgassysteme, das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine insbesondere bei kleinen Abgasmengen spürbar; auch weil das Leitungsvolumen stromaufwärts der kontinuierlich von Abgas durchströmten zweiten Turbine durch diese Maßnahme verkleinert wird, was bei niedrigen Lasten bzw. Drehzahlen, d. h. geringen Abgasmengen, vorteilhaft ist und insbesondere das Ansprechverhalten verbessert. Die thermische Trägheit des kontinuierlich von Abgas durchströmten Abgasabführsystems der zweiten Turbine verringert sich ebenfalls, wodurch sich Vorteile bei der Abgasnachbehandlung, insbesondere hinsichtlich der Anspringzeit nach einem Kaltstart, ergeben.Compared to concepts in which a single coherent exhaust pipe system is provided upstream of the two turbines, the above-described grouping improves, i. H. the use of two separate exhaust systems, the operating behavior of the internal combustion engine noticeable, especially with small amounts of exhaust gas; also because the line volume upstream of the second turbine, through which exhaust gas flows continuously, is reduced by this measure, which at low loads or speeds, ie. H. low amounts of exhaust gas, is advantageous and in particular improves the response. The thermal inertia of the exhaust gas discharge system of the second turbine through which exhaust gas flows continuously is also reduced, which results in advantages in exhaust gas aftertreatment, in particular with regard to the light-off time after a cold start.
Es ergeben sich aber auch Nachteile. Die Drehzahl der zuschaltbaren Turbine fällt bei Deaktivierung stark ab, so dass bei erneutem Zuschalten das Laufzeug dieser Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich somit.But there are also disadvantages. The speed of the switchable turbine drops sharply when it is deactivated, so that when it is switched on again, the rotating parts of this turbine must first be accelerated in order to be able to generate and provide the desired boost pressure on the compressor side. The responsiveness thus deteriorates.
Ein grundsätzlicher Nachteil bei Einsatz einer Abgasturboaufladung ist die Abgasnachbehandlung mittels im Abgasabführsystem angeordneter Abgasnachbehandlungssysteme. Vorliegend werden die Abgase stromabwärts der Auslassöffnungen zunächst den Turbinen von mindestens zwei Abgasturboladern zugeführt und erst dann gegebenenfalls einem oder mehreren Systemen zur Abgasnachbehandlung.A fundamental disadvantage when using an exhaust gas turbocharger is the exhaust gas aftertreatment by means of exhaust gas aftertreatment systems arranged in the exhaust gas discharge system. In the present case, downstream of the outlet openings, the exhaust gases are first fed to the turbines of at least two exhaust gas turbochargers and only then, if appropriate, to one or more systems for exhaust gas aftertreatment.
Der Hintergrund dieser Anordnung ist, dass man grundsätzlich bemüht ist, die Turbine eines Abgasturboladers möglichst nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder anzuordnen, um auf diese Weise zum einen die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und zum anderen ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine und damit des Turboladers zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang wird daher grundsätzlich angestrebt, die thermische Trägheit und das Volumen des Leitungssystems zwischen den Auslassöffnungen der Zylinder und der Turbine zu minimieren, was durch Reduzierung der Masse und der Länge der Abgasleitungen erreicht werden kann.The background to this arrangement is that efforts are generally made to arrange the turbine of an exhaust gas turbocharger as close as possible to the cylinder outlet openings in order to make optimal use of the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust gas pressure and temperature and, on the other hand, to ensure fast response of the turbine and thus of the turbocharger. In this context, the aim is to minimize the thermal inertia and the volume of the line system between the outlet openings of the cylinder and the turbine, which can be achieved by reducing the mass and length of the exhaust lines.
Infolgedessen erweist sich die motornahe Anordnung eines Abgasnachbehandlungssystems bei abgasturbolaufgeladenen Brennkraftmaschinen in der Praxis als schwierig, insbesondere bei Konzepten, bei denen mehrere Turbinen parallel im Abgasabführsystem anzuordnen sind.As a result, arranging an exhaust gas aftertreatment system close to the engine in exhaust gas turbocharged internal combustion engines proves difficult in practice, especially in concepts in which several turbines are to be arranged in parallel in the exhaust gas discharge system.
Es sind somit weitere bzw. zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigen Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.Further or additional measures are therefore required in order to be able to comply with future limit values for pollutant emissions. The focus of the development work is on reducing nitrogen oxide emissions, which are particularly relevant for diesel engines. Since the formation of nitrogen oxides not only requires excess air but also high temperatures, one concept for reducing nitrogen oxide emissions is to develop combustion processes with low combustion temperatures.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR / (mAGR + mLuft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mLuft die zugeführte Luft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.Exhaust gas recirculation (EGR), ie the recirculation of combustion gases from the outlet side to the inlet side, is expedient, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced as the exhaust gas recirculation rate increases. The exhaust gas recirculation rate x EGR is determined as x EGR = m EGR / (m EGR + m air ), where m EGR denotes the mass of recirculated exhaust gas and m air denotes the air supplied. The oxygen provided via exhaust gas recirculation may have to be taken into account.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% und mehr liegen können. Derart hohe Rückführraten erfordern regelmäßig eine Kühlung des rückzuführenden Abgases.In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which can be in the order of magnitude of x EGR ≈ 60% to 70% and more. Such high recirculation rates regularly require cooling of the exhaust gas to be recirculated.
Auch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet. Die Rückführleitung dieser Abgasrückführung zweigt stromaufwärts der Turbine des zweiten Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem ab und mündet stromabwärts der Verdichter unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem. Diese Leitungsführung stellt sicher, dass auch dann Abgas zurückgeführt werden kann, wenn die Turbine des ersten Abgasturboladers, d. h. die erste Turbine, abgeschaltet, d. h. deaktiviert ist.The internal combustion engine according to the invention is also equipped with exhaust gas recirculation. The recirculation line of this exhaust gas recirculation branches off from the exhaust gas discharge system upstream of the turbine of the second exhaust gas turbocharger and opens into the intake system downstream of the compressor, forming a first junction. This routing ensures that exhaust gas can also be recirculated when the turbine of the first exhaust gas turbocharger, i.e. H. the first turbine, shut down, d. H. is deactivated.
Es handelt sich vorliegend um eine Hochdruck-AGR, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches stromaufwärts einer Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und damit zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht. In der Rückführleitung sind regelmäßig ein Kühler und ein AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge vorgesehen.In the present case, it is a high-pressure EGR in which exhaust gas is returned to the inlet side, which is taken from the exhaust gas discharge system upstream of a turbine and is therefore no longer available to drive the turbine. A cooler and an EGR valve for adjusting the amount of recirculated exhaust gas are regularly provided in the return line.
Der Vorteil der Hochdruck-AGR gegenüber einer Niederdruck-AGR, bei der Abgas zurückgeführt wird, welches die im Abgasabführsystem angeordnete Turbine bereits durchströmt hat, ist, dass das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem, welches für die Rückführung des Abgases zwingend erforderlich ist, in einfacher Weise realisiert werden kann bzw. ohne weiteres zur Verfügung steht. Dies resultiert im Wesentlichen aus dem Umstand, dass der Abgasdruck stromaufwärts der Turbine deutlich höher ist als stromabwärts der Turbine.The advantage of high-pressure EGR compared to low-pressure EGR, in which exhaust gas is recirculated, which has already flowed through the turbine in the exhaust gas removal system, is that the driving pressure gradient between the exhaust gas removal system and the intake system, which is absolutely necessary for the recirculation of the exhaust gas , can be implemented in a simple manner or is readily available. This essentially results from the fact that the exhaust gas pressure upstream of the turbine is significantly higher than downstream of the turbine.
Zudem muss das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite rückgeführte Abgas, welches durch mindestens einen Verdichter hindurchzuführen ist, stromabwärts der Turbine regelmäßig einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen werden, da Ablagerungen im Verdichter die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern würden.In addition, the exhaust gas returned to the inlet side by means of low-pressure EGR, which is to be passed through at least one compressor, has to be regularly subjected to exhaust gas aftertreatment downstream of the turbine, in particular in a particle filter, since deposits in the compressor change the geometry of the compressor, in particular the flow cross-sections and in this way would degrade the efficiency of the compressor.
Die vorstehend beschriebene Abgasrückführung erweist sich aber als problematisch, wenn die erste Turbine zugeschaltet ist und das aus den Zylindern stammende Abgas auf beide Turbinen verteilt wird. Dann wird die Hälfte des Abgases an der zweiten kontinuierlich betriebenen Turbine vorbeigeführt und steht a priori für eine Abgasrückführung nicht mehr zur Verfügung.The exhaust gas recirculation described above proves to be problematic if the first turbine is switched on and the exhaust gas coming from the cylinders is distributed to both turbines. Half of the exhaust gas is then led past the second continuously operated turbine and is no longer available a priori for exhaust gas recirculation.
Hohe Rückführraten, die für eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen erforderlich sind, lassen sich somit nicht immer realisieren. Zu berücksichtigen ist aber, dass Konzepte erforderlich sind, mit denen sich hohe Rückführraten in sämtlichen Kennfeldpunkten, insbesondere auch bei hohen Lasten und/oder hohen Drehzahlen, realisieren lassen, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.It is therefore not always possible to achieve high return rates, which are necessary for a significant reduction in nitrogen oxide emissions. However, it must be taken into account that concepts are required with which high feedback rates can be implemented in all map points, in particular also at high loads and / or high speeds, in order to be able to comply with future limit values for pollutant emissions.
Folglich sind Maßnahmen erforderlich, mit denen sich hohe Rückführraten in sämtlichen Kennfeldpunkten realisieren lassen.Consequently, measures are required with which high feedback rates can be achieved in all map points.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der sich hohe Rückführraten in sämtlichen Kennfeldpunkten, insbesondere auch bei hohen Lasten und/oder hohen Drehzahlen, realisieren lassen.Against the background of what has been said, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which high return rates can be achieved in all map points, in particular also at high loads and / or high speeds.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.Another sub-object of the present invention is to provide a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern, einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, bei der
- - jeder Zylinder mindestens zwei Auslassöffnungen zum Abführen der Abgase aufweist, von denen mindestens eine als zuschaltbare Auslassöffnung ausgebildet ist, wobei sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
- - mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, von denen jeder einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter und eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine umfasst, wobei die Turbinen parallel im Abgasabführsystem angeordnet sind,
- - die Abgasleitungen der zuschaltbaren Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des ersten Abgasturboladers verbunden ist,
- - die Abgasleitungen der anderen Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des zweiten Abgasturboladers verbunden ist, und
- - eine erste Abgasrückführung vorgesehen ist, umfassend eine erste Rückführleitung, die stromaufwärts der Turbine des zweiten Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts der Verdichter unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei die erste Rückführleitung mit einem ersten AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ausgestattet ist,
- - eine zweite Abgasrückführung vorgesehen ist, umfassend eine zweite Rückführleitung, die aus dem der Turbine des ersten Abgasturboladers zugehörigen Abgasabführsystem abzweigt, wobei die zweite Rückführleitung mit einem zweiten AGR-Ventil ausgestattet ist.
- - Each cylinder has at least two outlet openings for discharging the exhaust gases, of which at least one is designed as an outlet opening that can be switched on, each outlet opening being followed by an exhaust line for discharging the exhaust gases via an exhaust gas discharge system,
- - At least two exhaust gas turbochargers are provided, each of which comprises a compressor arranged in the intake system and a turbine arranged in the exhaust gas discharge system, the turbines being arranged in parallel in the exhaust gas discharge system,
- - The exhaust lines of the connectable outlet openings of the at least two cylinders combine to form a first exhaust manifold to form a first overall exhaust line, which is connected to the turbine of the first exhaust gas turbocharger,
- - The exhaust lines of the other outlet openings of the at least two cylinders with the formation of a second exhaust manifold to one merge the second overall exhaust gas line which is connected to the turbine of the second exhaust gas turbocharger, and
- - A first exhaust gas recirculation is provided, comprising a first recirculation line, which branches off from the exhaust gas discharge system upstream of the turbine of the second exhaust gas turbocharger and downstream of the compressor opens into the intake system with the formation of a first node, the first return line having a first EGR valve for setting the recirculated exhaust gas is equipped,
- - A second exhaust gas recirculation is provided, comprising a second recirculation line which branches off from the exhaust gas removal system belonging to the turbine of the first exhaust gas turbocharger, the second recirculation line being equipped with a second EGR valve.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer weiteren, nämlich einer zweiten Abgasrückführung ausgestattet. Die Rückführleitung dieser Abgasrückführung zweigt stromaufwärts oder stromabwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem ab, d. h. aus dem Abgasabführsystem, welches der ersten zuschaltbaren Turbine zugeordnet ist.The internal combustion engine according to the invention is equipped with a further, namely a second exhaust gas recirculation system. The return line of this exhaust gas recirculation branches off from the exhaust gas removal system upstream or downstream of the turbine of the first exhaust gas turbocharger, i.e. H. from the exhaust gas removal system, which is assigned to the first switchable turbine.
Unter Verwendung dieser zweiten Abgasrückführung kann aus den Zylindern stammendes Abgas, welches via die zuschaltbaren Auslassöffnungen bei zugeschalteter erster Turbine in das Abgasabführsystem abgeführt wird, zurückgeführt werden. Insofern steht erfindungsgemäß das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine für eine Abgasrückführung zur Verfügung, wenn neben der zweiten kontinuierlich betriebenen Turbine auch die erste Turbine betrieben wird, d. h. zugeschaltet ist.Using this second exhaust gas recirculation, exhaust gas originating from the cylinders, which is discharged into the exhaust gas removal system via the connectable outlet openings when the first turbine is connected, can be recirculated. In this respect, according to the invention, the entire exhaust gas of the internal combustion engine is available for exhaust gas recirculation if, in addition to the second continuously operated turbine, the first turbine is also operated; H. is switched on.
Die für eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Rückführraten lassen sich erfindungsgemäß somit jederzeit realisieren, d. h. in sämtlichen Kennfeldpunkten der Brennkraftmaschine unter sämtlichen Betriebsbedingungen. Insbesondere stellt das erfindungsgemäße Konzept sicher, dass auch bei hohen Lasten und/oder hohen Drehzahlen, wenn neben der zweiten kontinuierlich betriebenen Turbine auch die erste Turbine betrieben wird und das Abgas auf die parallel angeordneten Turbinen verteilt wird, hohe Rückführraten realisieren werden können, so dass auch zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen eingehalten werden können.The high return rates required for a significant reduction in nitrogen oxide emissions can thus be achieved according to the invention at any time, i. H. in all map points of the internal combustion engine under all operating conditions. In particular, the inventive concept ensures that even at high loads and / or high speeds, when the first turbine is operated in addition to the second continuously operated turbine and the exhaust gas is distributed to the turbines arranged in parallel, high recirculation rates can be achieved, so that future limit values for pollutant emissions can also be met.
Zwecks Aktivieren der ersten Turbine werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen, d. h. die zu den schaltbaren Auslassöffnungen gehörenden schaltbaren Hubventile zugeschaltet; allesamt gleichzeitig oder sukzessive nach und nach, in einem Schritt oder im Hub mehrstufig. D. h. nicht sämtliche schaltbaren Hubventile müssen gleichzeitig und vollumfänglich zugeschaltet und betätigt werden. Das Zuschalten kann ganz unterschiedlich erfolgen, d. h. ganz unterschiedliche Ausprägungen haben.To activate the first turbine, the switchable outlet openings, i.e. H. the switchable lift valves belonging to the switchable outlet openings are switched on; all at the same time or successively little by little, in one step or in a multi-stage stroke. I.e. not all switchable lift valves have to be fully switched on and operated at the same time. The connection can take place very differently, i. H. have very different characteristics.
Die Rückführleitung der zweiten Abgasrückführung kann grundsätzlich stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem münden, aber auch stromaufwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers oder in die Rückführleitung der ersten Abgasrückführung führen, wie im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen erläutert wird.The recirculation line of the second exhaust gas recirculation can basically open downstream of the compressor into the intake system, but also upstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger or into the recirculation line of the first exhaust gas recirculation, as explained in connection with the preferred embodiments.
Insofern kann es sich bei der zweiten Abgasrückführung sowohl um eine Hochdruck-AGR als auch um eine Niederdruck-AGR handeln.In this respect, the second exhaust gas recirculation can be both a high pressure EGR and a low pressure EGR.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der sich hohe Rückführraten in sämtlichen Kennfeldpunkten, insbesondere auch bei hohen Lasten und/oder hohen Drehzahlen, realisieren lassen.With the internal combustion engine according to the invention, the first sub-task on which the invention is based is achieved, namely an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 with which high feedback rates can be achieved in all map points, especially at high loads and / or high speeds.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch drei oder mehr Abgasturbolader aufweisen. Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich problemlos auf Drei-Zylinder-Reihenmotoren anwenden.An internal combustion engine according to the invention can also have three or more exhaust gas turbochargers. The concept according to the invention can be applied without problems to three-cylinder in-line engines.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen, bei denen die aufgeladene Brennkraftmaschine drei Zylinder bzw. einen Zylinderkopf mit drei Zylindern aufweist.Embodiments are therefore also advantageous in which the supercharged internal combustion engine has three cylinders or a cylinder head with three cylinders.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung stromaufwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers aus dem zugehörigen Abgasabführsystem abzweigt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the second return line branches off from the associated exhaust gas discharge system upstream of the turbine of the first exhaust gas turbocharger.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die zweite Abgasrückführung als Hochdruck-AGR ausgebildet bzw. ausgeführt, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches stromaufwärts der ersten zugeschalteten Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und damit die erste Turbine nicht mehr durchströmt. Der Vorteil einer Hochdruck-AGR gegenüber einer Niederdruck-AGR ist, dass das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem a priori vorliegt.According to this embodiment, the second exhaust gas recirculation is designed or executed as a high-pressure EGR, in which exhaust gas is returned to the inlet side, which is taken from the exhaust gas removal system upstream of the first connected turbine and thus no longer flows through the first turbine. The advantage of a high pressure EGR compared to a low pressure EGR is that the driving pressure gradient between the Exhaust gas discharge system and the intake system is present a priori.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung stromaufwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers aus der ersten Gesamtabgasleitung abzweigt. Ein Abzweigen aus der ersten Gesamtabgasleitung hat gegenüber einem Abzweigen aus dem Abgaskrümmer bzw. einer einzelnen Abgasleitung eines Zylinders den Vorteil, dass sich das gesamte via den zugeschalteten Auslassöffnungen in das Abgasabführsystem abgeführte Abgas via der zweiten Rückführleitung auf die Einlassseite zurückführen lässt, ohne dass ein Rückströmen von Abgas im Abgasabführsystem erforderlich wäre.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the second return line branches off from the first overall exhaust line upstream of the turbine of the first exhaust gas turbocharger. A branch from the first overall exhaust line has the advantage over a branch from the exhaust manifold or an individual exhaust line of a cylinder that all of the exhaust gas discharged into the exhaust gas discharge system via the connected outlet openings can be returned to the inlet side via the second return line without a return flow of exhaust gas in the exhaust gas removal system would be required.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung in die erste Rückführleitung mündet. Diese Ausführungsform bringt mehrere Vorteile mit sich und kann als Grundlage bzw. Ausgangspunkt für ergänzende vorteilhafte Weiterbildungen dienen.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the second return line opens into the first return line are advantageous. This embodiment has several advantages and can serve as a basis or starting point for additional advantageous developments.
Zum einen kann auf einen zusätzlichen Kühler in der zweiten Rückführleitung verzichtet werden, falls in der ersten Rückführleitung ein Kühler vorgesehen ist und die zweite Rückführleitung stromaufwärts dieses Kühlers in die erste Rückführleitung mündet. Dies führt zu einer Kostenersparnis und Gewichtsreduzierung. Der Raumbedarf der Antriebseinheit im Motorraum wird verringert und ein dichtes Packaging unterstützt. Zum anderen kann das zweite AGR-Ventil zweistufig schaltbar ausgeführt werden, falls die zweite Rückführleitung stromaufwärts des ersten AGR-Ventils in die erste Rückführleitung mündet. Dann dient ausschließlich das erste AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge. Dies führt ebenfalls zu einer Kostenersparnis und Gewichtsreduzierung. Zudem vereinfacht sich die Steuerung der Abgasrückführung. Die Leitungslänge der Rückführleitungen insgesamt verkürzt sich.On the one hand, an additional cooler in the second return line can be dispensed with if a cooler is provided in the first return line and the second return line opens into the first return line upstream of this cooler. This leads to cost savings and weight reduction. The space requirement of the drive unit in the engine compartment is reduced and tight packaging is supported. On the other hand, the second EGR valve can be designed to be switchable in two stages if the second return line opens into the first return line upstream of the first EGR valve. Then only the first EGR valve is used to adjust the amount of recirculated exhaust gas. This also leads to cost savings and weight reduction. In addition, the control of the exhaust gas recirculation is simplified. The overall length of the return lines is reduced.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Rückführleitung stromaufwärts des ersten AGR-Ventils in die erste Rückführleitung mündet.For the reasons mentioned above, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the second return line opens into the first return line upstream of the first EGR valve.
Vorteilhaft sind ebenfalls aus den vorstehenden Gründen in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen das zweite AGR-Ventil zweistufig schaltbar ist.For the above reasons, embodiments in which the second EGR valve can be switched in two stages are also advantageous in this context.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Rückführleitung mit einem ersten Kühler ausgestattet ist. Der Kühler senkt die Temperatur des rückzuführenden Abgases und steigert damit die Dichte. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung, wodurch sich hohe bzw. sehr hohe Rückführraten realisieren lassen.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the first return line is equipped with a first cooler. The cooler lowers the temperature of the exhaust gas to be recirculated and thus increases the density. There is a compression by cooling, whereby high or very high return rates can be achieved.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Kühler stromabwärts des ersten AGR-Ventils angeordnet ist. Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen sein, bei denen der erste Kühler stromaufwärts des ersten AGR-Ventils angeordnet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the first cooler is arranged downstream of the first EGR valve. However, embodiments in which the first cooler is arranged upstream of the first EGR valve can also be advantageous.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweite Rückführleitung stromabwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers aus der ersten Gesamtabgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.Embodiments of the supercharged internal combustion engine can also be advantageous in which the second return line branches off from the first overall exhaust line downstream of the turbine of the first exhaust gas turbocharger and opens into the intake system upstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger, forming a second junction.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die zweite Abgasrückführung als Niederdruck-AGR ausgebildet bzw. ausgeführt, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches die erste zugeschaltete Turbine bereits durchströmt. Die zweite Rückführleitung mündet stromaufwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers in das Ansaugsystem.According to this embodiment, the second exhaust gas recirculation is designed or implemented as a low-pressure EGR, in which exhaust gas is returned to the inlet side, which is already flowing through the first connected turbine. The second return line opens into the intake system upstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger.
Der Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber einer Hochdruck-AGR ist, dass das gesamte via den zugeschalteten Auslassöffnungen in das Abgasabführsystem abgeführte Abgas an der ersten Turbine zur Verfügung steht, um den zugehörigen ersten Verdichter anzutreiben und einen angeforderten Ladedruck generieren zu können.The advantage of low-pressure EGR over high-pressure EGR is that all of the exhaust gas discharged into the exhaust gas discharge system via the connected outlet openings is available at the first turbine in order to drive the associated first compressor and to be able to generate a requested boost pressure.
Wird die zweite Abgasrückführung als Niederdruck-AGR ausgeführt, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die zweite Rückführleitung mit einem zweiten Kühler ausgestattet ist.If the second exhaust gas recirculation is designed as a low-pressure EGR, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the second recirculation line is equipped with a second cooler are advantageous.
Da der Kühler der ersten Abgasrückführung nicht genutzt werden kann, wenn die zweite Abgasrückführung als Niederdruck-AGR ausgeführt wird, ist das Vorsehen eines zusätzlichen zweiten Kühlers vorteilhaft, um die Temperatur des mittels zweiter Abgasrückführung rückgeführten Abgases zu senken und hohe Rückführraten realisieren zu können.Since the cooler of the first exhaust gas recirculation cannot be used if the second exhaust gas recirculation is designed as a low-pressure EGR, the provision of an additional second cooler is advantageous in order to lower the temperature of the exhaust gas recirculated by means of the second exhaust gas recirculation and to be able to achieve high recirculation rates.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Kühler stromaufwärts des zweiten AGR-Ventils angeordnet ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the second cooler is arranged upstream of the second EGR valve.
Dann kann bei deaktivierter zweiter Abgasrückführung keine aus dem Ansaugsystem stammende Frischluft in den zweiten Kühler gelangen, der vorliegend - bei zugeschalteter erster Turbine - dauerhaft mit heißem Abgas beaufschlagt ist. Das geschlossene zweite AGR-Ventil dient als Sperre gegen das Eindringen von Frischluft, wobei der zweite Kühler durch das Anordnen des zweiten AGR-Ventils stromabwärts des zweiten Kühlers dauerhaft mit dem Abgasabführsystem der ersten Turbine verbunden ist. Eine dauerhafte Beaufschlagung des zweiten Kühlers sowie der zweiten Rückführleitung stromaufwärts des zweiten AGR-Ventils mit heißen Abgas heizt diesen Teil der zweiten Abgasrückführung auf, wodurch einer Kondensatbildung durch Wandkontakt entgegen gewirkt wird. Es wird sogar der Verdampfung von zuvor bereits gebildetem Kondensat Vorschub geleistet.Then, when the second exhaust gas recirculation is deactivated, no fresh air from the intake system can get into the second cooler, which is present - with the first turbine switched on - is permanently exposed to hot exhaust gas. The closed second EGR valve serves as a barrier against the ingress of fresh air, the second cooler being permanently connected to the exhaust gas removal system of the first turbine by arranging the second EGR valve downstream of the second cooler. Permanent exposure of the second cooler and the second recirculation line upstream of the second EGR valve with hot exhaust gas heats this part of the second exhaust gas recirculation, which counteracts the formation of condensate through wall contact. The evaporation of previously formed condensate is even promoted.
Aus diesem Grund sind im vorliegenden Zusammenhang auch Ausführungsformen besonders vorteilhaft, bei denen das zweite AGR-Ventil an dem zweiten Knotenpunkt angeordnet ist. Dann lässt sich die gesamte zweite Rückführleitung bis zum Ansaugsystem hin versperren bzw. gegen das Eindringen kühler Frischluft schützen.For this reason, embodiments are also particularly advantageous in the present context in which the second EGR valve is arranged at the second node. The entire second return line can then be blocked up to the intake system or protected against the ingress of cool fresh air.
Wird die zweite Abgasrückführung als Niederdruck-AGR ausgeführt, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen das zweite AGR-Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge stufenlos verstellbar ist.If the second exhaust gas recirculation is designed as a low-pressure EGR, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the second EGR valve is continuously adjustable for setting the recirculated exhaust gas quantity.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Verdichter der mindestens zwei Abgasturbolader parallel im Ansaugsystem angeordnet sind, wobei
- - jeder Verdichter in einer separaten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet ist, und
- - die separaten Ansaugleitungen stromabwärts der Verdichter zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen, wobei stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers ein erstes Absperrelement in der zugehörigen Ansaugleitung angeordnet ist.
- - Each compressor is arranged in a separate suction line of the suction system, and
- - Merge the separate intake lines downstream of the compressors to form a total intake line, with a first shut-off element being arranged in the associated intake line downstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger.
Vorliegend sind die Verdichter parallel angeordnet und der erste Verdichter kann bei abgeschalteter erster Turbine vom übrigen Ansaugsystem abgetrennt werden, damit der zweite Verdichter nicht in den ersten Verdichter hinein fördert. Hierzu ist stromabwärts des ersten Verdichters ein erstes Absperrelement in der dazugehörigen Ansaugleitung angeordnet, das der Deaktivierung dieses Verdichters dient.In the present case, the compressors are arranged in parallel and the first compressor can be separated from the rest of the intake system when the first turbine is switched off, so that the second compressor does not feed into the first compressor. For this purpose, a first shut-off element, which is used to deactivate this compressor, is arranged in the associated suction line downstream of the first compressor.
Der erste Verdichter wird bei abgeschalteter erster Turbine nicht angetrieben. Damit der erste Verdichter gegebenenfalls nicht gegen den Widerstand des verschlossenen ersten Absperrelementes fördert, ist eine Abblaseleitung vorteilhaft, über welche die Ladeluft entweichen bzw. abgeführt werden kann.The first compressor is not driven when the first turbine is switched off. So that the first compressor does not deliver against the resistance of the closed first shut-off element, a blow-off line is advantageous, via which the charge air can escape or be discharged.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abblaseleitung vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Verdichter und dem ersten Absperrelement aus der zugehörigen Ansaugleitung abzweigt und stromaufwärts des zweiten Verdichters in die andere Ansaugleitung mündet, wobei in der Abblaseleitung ein weiteres Absperrelement angeordnet ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are also advantageous in which a blow-off line is provided, which branches off from the associated suction line between the first compressor and the first shut-off element and opens into the other suction line upstream of the second compressor, with a further suction line in the blow-off line Shut-off element is arranged.
Dass die Abblaseleitung vorliegend stromaufwärts des zweiten Verdichters in das Ansaugsystem mündet, hat Vorteile, da stromaufwärts des zweiten Verdichters in der Regel Unterdruck herrscht, wodurch ein Druckgefälle geschaffen wird, durch welches die Förderung der vom ersten Verdichter komprimierten Ladeluft unterstützt wird.The fact that the blow-off line opens into the intake system upstream of the second compressor has advantages, since there is usually negative pressure upstream of the second compressor, which creates a pressure gradient that supports the delivery of the charge air compressed by the first compressor.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Verdichter der mindestens zwei Abgasturbolader in Reihe in einer Gesamtansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet sind, wobei der Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers in der Gesamtansaugleitung angeordnet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine can also be advantageous in which the compressors of the at least two exhaust gas turbochargers are arranged in series in an overall intake line of the intake system, the compressor of the second exhaust gas turbocharger being arranged downstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger in the overall intake line.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des ersten Abgasturboladers mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromaufwärts des Verdichters des ersten Abgasturboladers aus der Gesamtansaugleitung abzweigt und zwischen dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers und dem Verdichter des ersten Abgasturboladers in die Gesamtansaugleitung mündet, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the compressor of the first exhaust gas turbocharger is equipped with a bypass line that branches off from the overall intake line upstream of the compressor of the first exhaust gas turbocharger and into the overall intake line between the compressor of the second exhaust gas turbocharger and the compressor of the first exhaust gas turbocharger opens, a shut-off element being arranged in the bypass line.
Die Bypassleitung dient der Umgehung des ersten Verdichters, wenn die erste Turbine abgeschaltet ist und der erste Verdichter nicht angetrieben wird und nur einen Strömungswiderstand für die angesaugte Luft darstellt. Grundsätzlich kann die Bypassleitung aber auch als Abblaseleitung genutzt werden.The bypass line is used to bypass the first compressor when the first turbine is switched off and the first compressor is not driven and only represents a flow resistance for the sucked in air. In principle, however, the bypass line can also be used as a blow-off line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter der mindestens zwei Abgasturbolader ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which a charge air cooler is arranged in the intake system downstream of the compressor of the at least two exhaust gas turbochargers.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem Verdichter des zweiten Abgasturboladers und dem ersten Knotenpunkt ein Drosselelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das Drosselelement kann als Drosselklappe zur Laststeuerung dienen, aber auch zur Generierung eines treibenden Druckgefälles über die erste Rückführleitung hinweg.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which a throttle element is arranged in the intake system between the compressor of the second exhaust gas turbocharger and the first node. The throttle element can serve as a throttle valve for load control, but also to generate a driving pressure gradient across the first return line.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine mindestens eines Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist, die eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes gestattet. 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 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 eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the turbine of at least one exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry that allows extensive adaptation to the respective operating point by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section. In this case, guide vanes are arranged upstream of the impeller of the turbine to influence the direction of flow. In contrast to the rotating blades of the rotating impeller, the guide blades do not rotate with the shaft of the turbine, i. H. the impeller. The guide vanes are arranged in a stationary manner, but not completely immobile, but rotatable about their axis, so that the flow to the rotor blades can be influenced. If, on the other hand, a turbine has a fixed, unchangeable geometry, the guide vanes are not only stationary, but also completely immobile, i.e. H. rigidly fixed, if a guide device is provided at all.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Turbine mindestens eines Abgasturboladers als Waste-Gate-Turbine ausgeführt ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the turbine of at least one exhaust gas turbocharger is designed as a waste gate turbine can be advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen jede zuschaltbare Auslassöffnung mit einem schaltbaren Hubventil ausgestattet ist, wobei ein abgeschaltetes Hubventil die zugehörige Auslassöffnung abschaltet und verschlossen hält und sich ein zugeschaltetes Hubventil zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung unter Ausbildung eines Ventilhubs Δhmax bewegt und dabei die zugehörige Auslassöffnung während einer Öffnungsdauer Δtmax freigibt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which each switchable outlet opening is equipped with a switchable lift valve, with a deactivated lift valve switching off the associated outlet opening and keeping it closed and an activated lifting valve moving between an open position and a closed position with the formation of a valve lift Δh max and thereby releases the associated outlet opening during an opening period Δt max .
Beim Aktivieren der ersten Turbine kann die Anzahl der zugeschalteten Auslassöffnungen sukzessive erhöht werden. Auf diese Weise wird die via den zugeschalteten Auslassöffnungen aus den Zylindern abgeführte Abgasmenge, d. h. der Abgasvolumenstrom, beim Zuschalten der ersten Turbine ebenfalls sukzessive, d. h. nach und nach, erhöht und nicht schlagartig in vollem Umfang. Infolgedessen nimmt der durch die zweite Turbine geführte Abgasstrom beim Zuschalten der ersten Turbine auch nicht abrupt ab und ein Drehmomentabfall infolge eines Ladedruckverlustes wird vermindert bzw. vermieden.When activating the first turbine, the number of connected outlet openings can be increased successively. In this way, the amount of exhaust gas discharged from the cylinders via the connected outlet openings, i. H. the exhaust gas volume flow, likewise successively when the first turbine is switched on, d. H. gradually, increased and not suddenly in full. As a result, the exhaust gas flow passed through the second turbine does not decrease abruptly when the first turbine is switched on, and a torque drop due to a loss of boost pressure is reduced or avoided.
Die zuschaltbaren Auslassöffnungen können auch mit Hubventilen ausgestattet werden, die nicht nur schaltbar sind, d. h. nicht nur zugeschaltet und abgeschaltet werden können, sondern verstellbar sind in der Art, dass im Hinblick auf den Ventilhub Δh und/oder die Öffnungsdauer Δt ein stufenloses oder mehrstufiges Verstellen möglich ist.The switchable outlet openings can also be equipped with lift valves that are not only switchable, i. H. can not only be switched on and off, but are adjustable in such a way that a stepless or multi-stage adjustment is possible with regard to the valve lift Δh and / or the opening duration Δt.
Ein beispielsweise im Ventilhub Δh verstellbares Hubventil ermöglicht neben dem abgeschalteten Zustand ohne Hub und dem zugeschalteten Modus mit normalem Hub Δhmax mindestens einen weiteren zugeschalteten Betätigungsmodus mit verringertem Hub oder mehrerer weitere zugeschaltete Betätigungsmodi mit verschiedenen Hüben. Als Hub wird dabei der maximale Hub des Ventils beim Durchlaufen der Ventilerhebungskurve des jeweiligen Modus angesehen und bezeichnet.A lift valve that can be adjusted in valve lift Δh, for example, enables at least one additional activated operating mode with reduced stroke or several additional activated operating modes with different strokes in addition to the switched-off state without a lift and the activated mode with normal lift Δh max . The maximum lift of the valve when running through the valve lift curve of the respective mode is regarded and referred to as the lift.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen jede zuschaltbare Auslassöffnung mit einem schaltbaren Hubventil ausgestattet ist, wobei ein abgeschaltetes Hubventil die zugehörige Auslassöffnung nicht vollkommen deaktiviert und nicht vollkommen verschließt, so dass die abgeschaltete erste Turbine immer mit einer kleinen Abgasmenge beaufschlagt wird.Embodiments of the supercharged internal combustion engine can also be advantageous in which each switchable outlet opening is equipped with a switchable lift valve, with a disconnected lift valve not completely deactivating and not completely closing the associated outlet opening, so that the first turbine that is switched off is always subjected to a small amount of exhaust gas.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der mindestens zwei Zylinder innerhalb des mindestens einen Zylinderkopfes zu den Gesamtabgasleitungen zusammenführen.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the exhaust lines of the at least two cylinders merge within the at least one cylinder head to form the overall exhaust lines.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf verringert die Masse und die Länge der Abgasabführsysteme von den Auslassöffnungen bis hin zu den Turbinen. Dadurch lässt sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbolader gewährleisten. Zudem erreichen auslassnah angeordnete Abgasnachbehandlungssysteme schneller ihre Betriebstemperatur bzw. Anspringtemperatur, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf gestattet darüber hinaus ein möglichst dichtes Packaging der Antriebseinheit und hat darüber hinaus den Vorteil, dass an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden kann, in der Art, dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.The integration of the exhaust manifold into the cylinder head reduces the mass and length of the exhaust gas removal systems from the exhaust ports to the turbines. This allows the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases to be optimally used and ensures that the turbochargers respond quickly. In addition, exhaust gas aftertreatment systems arranged near the outlet reach their operating temperature or light-off temperature more quickly, in particular after a cold start of the internal combustion engine. The integration of the exhaust manifold in the cylinder head also allows the drive unit to be packaged as tightly as possible and also has the advantage that it is possible to participate in any liquid cooling provided in the cylinder head in such a way that the manifolds are not made of thermally highly stressable and therefore cost-intensive materials must be manufactured.
Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt zudem zu einer geringeren Anzahl an Bauteilen und folglich zu einer Verringerung der Kosten, insbesondere der Montage- und Bereitstellungskosten.The integration of the exhaust manifold into the cylinder head also leads to a lower number of components and consequently to a reduction in costs, in particular the assembly and preparation costs.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Gesamtabgasleitungen stromabwärts der Turbinen zu einer gemeinsamen Abgasleitung zusammenführen. Dann kann eine Abgasnachbehandlung des gesamten Abgases der mindestens zwei Zylinder stattfinden, nämlich mit einem in der gemeinsamen Abgasleitung angeordneten Abgasnachbehandlungssystem. Dies können beispielsweise ein Partikelfilter, ein Oxidationskatalysator und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem zur Reduzierung der Stickoxide sein.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the overall exhaust gas lines merge into a common exhaust gas line downstream of the turbines. Exhaust gas aftertreatment of the entire exhaust gas of the at least two cylinders can then take place, namely with one arranged in the common exhaust line Exhaust aftertreatment system. This can be, for example, a particle filter, an oxidation catalytic converter and / or an exhaust gas aftertreatment system for reducing nitrogen oxides.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeschaltet werden, falls eine vorgebbare Last
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 aufgeladenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why reference is generally made at this point to the statements made above with regard to the internal combustion engine. The various supercharged internal combustion engines sometimes require different process variants.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zweite Abgasrückführung bei zugeschalteten zuschaltbaren Auslassöffnungen aktiviert wird, um eine angeforderte Abgasmenge zurückzuführen, wozu das zweite AGR-Ventil geöffnet wird.Embodiments of the method are advantageous in which the second exhaust gas recirculation is activated when the connectable outlet openings are switched on in order to return a requested amount of exhaust gas, for which purpose the second EGR valve is opened.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier Ausführungsbeispielen und gemäß den
-
1a schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, -
1b schematisch eine zweite Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, -
2a schematisch eine dritte Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, -
2b schematisch eine vierte Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, und -
3 das Motorenkennfeld einer aufgeladenen Brennkraftmaschine.
-
1a schematically a first embodiment of the supercharged internal combustion engine, -
1b schematically a second embodiment of the supercharged internal combustion engine, -
2a schematically a third embodiment of the supercharged internal combustion engine, -
2 B schematically a fourth embodiment of the supercharged internal combustion engine, and -
3 the engine map of a supercharged internal combustion engine.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor
Jede zuschaltbare Auslassöffnung
Die Abgasleitungen
Die Brennkraftmaschine
Stromabwärts des ersten Verdichters
Der erste Verdichter
Die in
Eine erste Abgasrückführung
Eine zweite Abgasrückführung
Stromaufwärts des ersten Knotenpunktes
Auch vorliegend sind die beiden Turbinen
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform gemäß
Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform gemäß
Mit A ist der Kennfeldbereich gekennzeichnet, in welchem nur der zweite Abgasturbolader betrieben bzw. nur die zweite Turbine mit Abgas beaufschlagt wird. Die erste zuschaltbare Turbine ist deaktiviert und wird nur aktiviert, falls die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge überschreitet bzw. eine vorgebbare Last
Zwecks Aktivierung der ersten Turbine werden die zuschaltbaren Auslassöffnungen zugeschaltet. Mit B ist der Kennfeldbereich gekennzeichnet, in welchem beide Abgasturbolader betrieben bzw. beide Turbinen mit Abgas beaufschlagt werden. Im Kennfeldbereich B kann dann die zweite Abgasrückführung zusätzlich genutzt werden, um eine angeforderte Abgasmenge zurückzuführen, wozu das zweite AGR-Ventil dieser Abgasrückführung zu öffnen ist.In order to activate the first turbine, the switchable outlet openings are switched on. The map area in which both exhaust gas turbochargers are operated or both turbines are subjected to exhaust gas is marked with B. In map area B, the second exhaust gas recirculation can then also be used to recirculate a requested amount of exhaust gas, for which purpose the second EGR valve of this exhaust gas recirculation must be opened.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotorsupercharged internal combustion engine, four-cylinder in-line engine
- 22
- Zylindercylinder
- 33
- erste Abgasrückführung, Hochdruck-AGRfirst exhaust gas recirculation, high pressure EGR
- 3a3a
- erste Rückführleitungfirst return line
- 3b3b
- erstes AGR-Ventilfirst EGR valve
- 3c3c
- erster Kühlerfirst cooler
- 3d3d
- erster Knotenpunktfirst junction
- 44th
- AuslassöffnungOutlet opening
- 4a4a
- zuschaltbare Auslassöffnungswitchable outlet opening
- 4b4b
- andere Auslassöffnungother outlet opening
- 55
- AbgasabführsystemExhaust gas removal system
- 5a5a
- Abgasleitung einer zuschaltbaren AuslassöffnungExhaust pipe of a switchable outlet opening
- 5b5b
- AbgasleitungExhaust pipe
- 6a6a
- erster Abgaskrümmerfirst exhaust manifold
- 6b6b
- zweiter Abgaskrümmersecond exhaust manifold
- 7a7a
- erste Gesamtabgasleitungfirst overall exhaust line
- 7b7b
- zweite Gesamtabgasleitungsecond overall exhaust line
- 88th
- erster Abgasturboladerfirst exhaust gas turbocharger
- 8a8a
- erste Turbine, zuschaltbare Turbinefirst turbine, switchable turbine
- 8b8b
- erster Verdichterfirst compressor
- 99
- zweiter Abgasturboladersecond exhaust gas turbocharger
- 9a9a
- zweite Turbinesecond turbine
- 9b9b
- zweiter Verdichtersecond compressor
- 1010
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1111
- AnsaugsystemSuction system
- 11a11a
- erste separate Ansaugleitungfirst separate suction line
- 11b11b
- zweite separate Ansaugleitungsecond separate suction line
- 1212
- GesamtansaugleitungTotal suction line
- 12a12a
- Plenumplenum
- 13a13a
- erstes Absperrelementfirst shut-off element
- 1414th
- AbblaseleitungBlow-off line
- 14a14a
- weiteres Absperrelementanother shut-off element
- 1515th
- zweite Abgasrückführungsecond exhaust gas recirculation
- 15a15a
- zweite Rückführleitungsecond return line
- 15b15b
- zweites AGR-Ventilsecond EGR valve
- 15c15c
- zweiter Kühlersecond cooler
- 15d15d
- zweiter Knotenpunktsecond junction
- 1616
- BypassleitungBypass line
- 16a16a
- AbsperrelementShut-off element
- 1717th
- Drosselelement Throttle element
- MM.
- Last der BrennkraftmaschineInternal combustion engine load
- nmotnmot
- Drehzahl der BrennkraftmaschineSpeed of the internal combustion engine
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Legal Events
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MARKOWITZ, MARKUS, DR.-ING., DE |