DE10229116A1 - Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen - Google Patents

Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem abgasgetriebenen Turbolader (8) und zumindest zwei Auslassventilen (2, 3) pro Zylinder. Ein erstes Auslassventil (2) in jedem Zylinder ist mit einem ersten Abgaskrümmer (4) verbunden, während ein zweites Auslassventil (3) in jedem Zylinder mit einem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist. Die zwei Abgaskrümmer (4, 5) führen zu wenigstens einer Abgasturbine in wenigstens einem Turbokompressor und die ersten Auslassventile (2) sind dazu ausgeführt, bei allen Motordrehzahlen zu öffnen, während die zweiten Auslassventile (3) dazu ausgeführt sind, nur bei höheren Motordrehzahlen zu öffnen. Der erste Abgaskrümmer (4) hat eine kleinere Durchströmungsfläche als der zweite Abgaskrümmer (5). Durch Wahl der zu benutzenden Auslassventile kann die Größe der Strömungskanäle zwischen dem Motor und der Abgasturbine leicht der Größe des momentan verfügbaren Abgasstromes angepasst werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
  • Bei Turbomotoren mit einem abgasgetriebenen Turbolader hängt die Leistung des Motors weitgehend von dem Arbeitsbereich des Turboladers ab. Die Abgasturbine des Turboladers und die dort hinführenden Abgaskanäle sind normalerweise für die großen Abgasströme ausgelegt, die bei hohen Drehzahlen und hohen Motorlasten auftreten. Das bedeutet aber, dass bei niedrigeren Drehzahlen und geringeren Abgasströmen Abgasenergie auf dem Weg zur Abgasturbine verloren geht, wodurch die Effektivität des Turboladers beeinträchtigt wird.
  • Um eine gute Leistung des Turboladers bei niedrigen Drehzahlen erreichen zu können, ist es wünschenswert, eine kleine Turbine und kleine Abmessungen der zu ihr führenden Rohre zu benutzen, um Energieverluste zu reduzieren. Dies hat jedoch Nachteile bei großen Abgasströmen, da die kleinen Abmessungen zu einer Bedrosselung des Abgasstroms und einem hohen Gegendruck im Abgasrohr und sich daraus ergebenden Luftzufuhrproblemen führen.
  • Insbesondere bei Vierzylinderturbomotoren ist es bekannt, Abgasturbinen mit doppelten, gleich großen Einlässen zu verwenden und zwei Zylinder mit jedem Einlass zu verbinden, wobei die Zylinder derart angeschlossen sind, dass ein Einlasszylinder immer getrennt von einem Abgas liefernden Zylinder ist. Bei einem Vierzylinderreihenmotor sind deshalb die äußeren zwei Zylinder normalerweise an den gleichen Turbineneinlass angeschlossen, wohingegen die zwei mittleren Zylinder an einen anderen Turbineneinlass angeschlossen sind. Um die geforderte Regelbarkeit zu erzielen, ist in jedem Einlass ein Ablassventil (waste gate) angeordnet, was die Komplexität der Turbine erhöht. Die zwei Einlasskanäle zur Abgasturbine haben hier dieselbe Größe, ausgelegt für einen großen Abgasstrom, mit dem damit einhergehenden Effizienzverlust bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Abgasströmen.
  • In Anbetracht des Vorstehenden sind verbesserte Lösungen für die Abgaszufuhr zur Abgasturbine gefordert. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgaszufuhr zur Abgasturbine zu ermöglichen. Des weiteren soll die angestrebte Lösung einfach sein.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
  • Indem in jedem Zylinder die Abgaszufuhr zwischen Ventilen aufgeteilt wird, die unterschiedlich aktiviert werden können, wird es bei niedrigen Drehzahlen möglich, die gesamte Zufuhr zur Abgasturbine durch nur ein Ventil des Zylinders und durch engere Rohre als bei hohen Drehzahlen geschehen zu lassen und gleichzeitig eine Abgasturbine begrenzter Größe zu verwenden. Andererseits werden bei hohen Drehzahlen und großem Abgasstrom alle Auslassventile und größere Leitungen benutzt, um eine ausreichend große Abgasturbine anzutreiben.
  • Die Abgasturbine kann in diesem Fall zweckmäßigerweise doppelte Einlässe aufweisen, nämlich einen Einlass, der bei allen Drehzahlen benutzt wird, und einen anderen Einlass, der zusätzlich bei hohen Drehzahlen benutzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei getrennte Abgasturbinen zu verwenden, nämlich eine kleine, die immer angeschlossen ist, und eine größere, die nur bei hohen Drehzahlen und großen Abgasströmen angeschlossen ist.
  • Indem so die Abgaszufuhr als Funktion der Motordrehzahl und Größe des Abgasstroms gesteuert wird, wird es möglich, eine Abgasturbine und zu ihr führende Einlässe einer Größe zu verwenden, die besser an die besonderen Betriebsbedingungen angepasst ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den weiteren Patentansprüchen.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit einem abgasgetriebenen Turbolader,
  • Fig. 2 und 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Abgasturbine in unterschiedlichen Arbeitsstellungen,
  • Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Abgasturbine, und
  • Fig. 5 eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Turboladers.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Mehrzylinderottomotor 1, der nach der Erfindung ausgeführt ist. Die Motorzylinder haben je zumindest zwei Abgas- bzw. Auslassventile 2, 3, von denen ein erstes Auslassventil 2 jedes Zylinders mit einem ersten Abgaskrümmer 4 verbunden ist und von denen ein zweites Auslassventil 3 jedes Zylinders mit einem zweiten Abgaskrümmer 5 verbunden ist. Die zwei Abgaskrümmer 4, 5 münden über ein erstes Abgasrohr 6 bzw. ein zweites Abgasrohr 7 in einem Turbolader 8, mit Hilfe dessen Ladeluft auf bekannte, hier nicht näher gezeigte Weise durch ein Luftrohr 9 dem Motor 1 zugeführt wird. Der durch Abgase von dem Motor angetriebene Turbolader 8 wird über einen Einlass 10 mit Luft versorgt und besitzt einen für die Abgase vorgesehenen Abgasauslass 11, über den die Abgase des Motors auf herkömmliche Weise über einen Katalysator 12 und andere, hier nicht näher dargestellte herkömmliche Komponenten im Abgassystem des Motors abgeführt werden.
  • Der Turbolader 8 kann auf eine Reihe verschiedener Arten realisiert sein, von denen einige im folgenden beschrieben sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Realisation ist der Turbolader 8 durch einen einzelnen Turbokompressor mit einer Abgasturbine 13 und einem von letzterer angetriebenen Verdichter 14 gebildet. Die zwei Abgasrohre 6 und 7 führen hier zu ein und derselben Abgasturbine 13.
  • Die genauere Verwirklichung einer solchen Abgasturbine 13 ist aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich. Ein erster Einlass 15, in den das erste Abgasrohr 6 mündet, führt zu einer ersten Leitung 16, aus der Abgase das Turbinenrad 17 der Abgasturbine erreichen können, um es anzutreiben. Entsprechend führt ein zweiter Einlass 18, in den das zweite Abgasrohr 7 mündet, zu einer zweiten Leitung 19, von der Abgase das Turbinenrad 17 erreichen können. Zur Regelung des Abgasstroms aus der Leitung 19 zum Turbinenrad 17 ist ein Ventil 20 vorgesehen, in dem ein rohrförmiger Ventilkörper 21 axial verschiebbar ist und somit das Öffnungsmaß des Ventils von einer in Fig. 2 gezeigten geschlossenen Stellung bis zu einer in Fig. 3 gezeigten, vollständig offenen Stellung ändern kann. Radial innerhalb des Ventils 20 befindet sich ein Ablassventil 22, in dem ein rohrförmiger Ventilkörper 23 axial aus einer mit durchgezogenen Linien wiedergegebenen geschlossenen Stellung in eine mit gestrichelten Linien wiedergegebenen Offenstellung verschiebbar ist, in der ein gewünschter Teil der Abgase am Turbinenrad 17 ohne es anzutreiben vorbeigelangen kann, um auf diese Weise den Verdichter 14 zu regeln.
  • In Fig. 4 ist eine Abgasturbine 13 etwas anderer Art als der in Fig. 2 und 3 dargestellt. Wie zuvor ist ein erster Einlass 15 mit dem ersten Abgasrohr 6 verbunden und ein zweiter Einlass 18 mit dem zweiten Abgasrohr 7 verbunden. Ein herkömmliches Ablassventil 22 ist hier in dem zweiten, größeren Einlass 18 angeordnet und kann geöffnet werden, um den Abgasstrom zum Turbinenrad 11 zu vermindern. Dieses Ablassventil 22 kann stattdessen in dem ersten, kleineren Einlass 15 angeordnet sein, oder ein solches Ablassventil kann auch in beiden der zwei Einlässe 15, 18 vorhanden sein.
  • Der in den Fig. 1 bis 4 wiedergegebene Motor 1 funktioniert wie folgt: Die ersten Auslassventile 2 sind dazu ausgeführt, ständig in Betrieb zu sein, während die zweiten Auslassventile 3 dazu ausgeführt sind, nur bei hohen Drehzahlen und bei großen Abgasströmen zu arbeiten. Dies wird erreicht, indem die zweiten Auslassventile 3 durch einen Mechanismus angetrieben werden, mittels dem die Ventile wie gewünscht aktiviert und deaktiviert werden können. Eine große Zahl solcher Mechanismen sind dem Fachmann bekannt und sind kommerziell erhältlich, weshalb hier keine genauere Beschreibung einer Verwirklichung gegeben wird. Bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Abgasströmen sind somit nur die ersten Auslassventile 2 in Betrieb. Um Energieverluste in den über die ersten Auslassventile 2 abgegebenen Abgasen zu begrenzen, sind die Rohrabmessungen von diesen Ventilen und bis zu und in die Abgasturbine 13 durch ihren ersten Einlass 15 relativ klein. Sobald die Motordrehzahl und die Last auf einen vorbestimmten Wert angestiegen sind, werden auch die zweiten Auslassventile 3 und das Ventil 20 aktiviert, um der Abgasturbine 13 mehr Abgase zuzuführen. Um diesen vergrößerten Abgasstrom verarbeiten zu können, können die Rohrabmessungen von den zweiten Auslassventilen 3 bis zu und in die Abgasturbine 13 durch ihren zweiten Einlass 18 größer sein als von den ersten Auslassventilen 2. Falls gefordert kann der Ladedruck des Verdichters 14 durch Verstellen des Ablassventils 22 eingestellt werden, womit bewirkt wird, dass eine gewünschte Menge an Abgasen an der Gasturbine vorbeigeleitet wird, ohne sie anzutreiben.
  • Die Einstellbarkeit der zweiten Auslassventile 3 ermöglicht es auch, für diese Ventile eine unterschiedliche Öffnungsdauer als für die ersten Auslassventile 2 zu haben.
  • Indem die zweiten Auslassventile 3 eine länger andauernde und eventuell auch größere Öffnung als die ersten Auslassventile 2 haben, wird eine sehr effektive Abgaszufuhr unter hoher Last und bei hohen Drehzahlen ermöglicht.
  • Eine Variante eines Turboladers 8 ist in Fig. 5 dargestellt. Das erste Abgasrohr 6 ist hier mit einem angepassten Turbokompressor 25 verbunden und das zweite Abgasrohr 7 ist ebenfalls mit einem angepassten Turbokompressor 26 verbunden, der größer sein kann als der Turbokompressor 25, um größere Abgasströme verarbeiten zu können. Von einer Abgasturbine 27 im ersten Turbokompressor 25 und einer Abgasturbine 28 im zweiten Turbokompressor 26 werden die Abgase zu dem Abgasauslass 11 geführt. Auf ähnliche Weise wird Luft von den Kompressoren 29 und 30, von denen letzterer größer als ersterer sein kann, zur Luftleitung 9 und von dort zum Motor geführt. Die zwei Turbokompressoren 25 und 26 sind hier zweckmäßigerweise von einer Standardausführung, jedoch, wie erläutert worden ist, möglicherweise von verschiedener Größe. Einer oder beide können auf herkömmliche Weise ein Ablassventil zum Regeln des Ladedrucks aufweisen.
  • Wenn ein Turbolader 8 der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Art, bei dem die Abgasturbine 13 doppelte Einlässe aufweist, mit einem Vierzylindermotor kombiniert wird, können die speziellen Charakteristiken eines solchen Motors dazu verwendet werden, eine vorteilhafte Ausblasreinigung der Zylinder bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last zu erzielen. Dies wird erreicht, indem auch die ersten Auslassventile 2 aktivierbar und deaktivierbar gestaltet werden und indem bei niedrigen Drehzahlen die zwei äußeren Zylinder über ihre entsprechenden ersten Auslassventile 2 mit dem ersten Einlass 15 verbunden werden, während die zwei mittleren Zylinder stattdessen durch das Schließen des ersten Auslassventils 2 in diesen Zylindern und das Öffnen des zweiten Auslassventils 3 mit dem zweiten Einlass 18 verbunden werden. Im Fall einer Änderung hin zu anderen Betriebszuständen kann die verlängerte Öffnung der Auslassventile 2 und 3 in den zwei mittleren Zylindern anschließend geändert werden, so dass sie mit den zwei äußeren Zylindern übereinstimmt.
  • Als Ergebnis der Möglichkeit, verschiedene Auslassventile auf unterschiedliche Arten zu aktivieren und zu deaktivieren, können die Betriebsbedingungen eines Motors auf breite Art und Weise entsprechend Anforderungen und Wünschen beeinflusst werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines Mehrzylinderverbrennungsmotors mit einem abgasgetriebenen Turbolader (8) und zumindest zwei Auslassventilen (2, 3) pro Zylinder, in den Abgase einerseits durch ein erstes Auslassventil (2) in jedem Zylinder einem ersten Abgaskrümmer (4) und andererseits durch ein zweites Auslassventil (3) in jedem Zylinder einem zweiten Abgaskrümmer (5) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Drehzahlen nur die ersten Auslassventile (2) geöffnet sind, wohingegen bei hohen Drehzahlen sowohl die ersten Auslassventile (2) als auch die zweiten Auslassventile (3) geöffnet sind, und dass die Abgase wenigstens einer Abgasturbine in wenigstens einem Turbokompressor zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgase von dem ersten Abgaskrümmer (4) und dem zweiten Abgaskrümmer (5) zu verschiedenen Einlässen (15, 16) derselben Abgasturbine (13) geführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abgase von dem ersten Abgaskrümmer (4) und dem zweiten Abgaskrümmer (5) zu zwei verschiedenen Abgasturbinen (27, 28) in zwei verschiedenen Turbokompressoren (25, 26) geführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein größerer Abgasstrom durch den zweiten Abgaskrümmer (5) als durch den ersten Abgaskrümmer (4) geleitet wird.
5. Verbrennungsmotor mit einem abgasgetriebenen Turbolader (8) und zumindest zwei Auslassventilen (2, 3) pro Zylinder, wobei ein erstes Auslassventil (2) in jedem Zylinder mit einem ersten Abgaskrümmer (4) und ein zweites Auslassventil (3) in jedem Zylinder mit einem zweiten Abgaskrümmer (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgaskrümmer (4, 5) mit zumindest einer Abgasturbine zumindest eines Turbokompressors verbunden sind, und dass die ersten Auslassventile (2) dazu ausgeführt sind, bei allen Motordrehzahlen zu öffnen, wohingegen die zweiten Auslassventile (3) dazu ausgeführt sind, nur bei höheren Motordrehzahlen zu öffnen.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgaskrümmer (5) für einen größeren Abgasstrom als der erste Abgaskrümmer eine größere Querschnittsfläche als der erste Abgaskrümmer (4) hat.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskrümmer (4) und der zweite Abgaskrümmer (5) ihre eigene Abgasturbine (27, 28) in zwei separaten Turbokompressoren (25, 26) beliefern.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskrümmer (4) und der zweite Abgaskrümmer (5) mit derselben Abgasturbine (13) über ihren zugehörigen Einlass (15, 18) in ihr verbunden sind.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Einlässe (15, 18) ein Ablassventil (22) zum Einstellen des Abgasstroms zu einem Turbinenrad (17) vorhanden ist.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Turbinenrad (17) ein Ablassventil (22) vorhanden ist, das zwei Kanälen (16, 19) zugehörig ist, die mit den zwei Einlässen (15, 18) verbunden sind.
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