DE19918232A1 - Mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader - Google Patents
Mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit einem AbgasturboladerInfo
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Abstract
Bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader (3) und mit mindestens zwei unterschiedlichen Zylindern (2) oder Zylindergruppen zugeordneten separaten Abgasleitungen (7) sind die Abgasleitungen (7) entsprechend der Stellung eines Stellgliedes (10) vor dem Eintritt in die Turbine (4) fluidisch verbindbar oder zur Stoßaufladung des Motors trennbar in Abhängigkeit des Betriebspunktes des Motors. DOLLAR A Um bei beliebigen Zylinderzahlen mit geringem baulichem Aufwand eine bedarfsweise Verbindung oder Trennung der Abgasleitungen (7) vor der Turbine (4) zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Schieber (10) als Stellglied vorgesehen, welcher Wandabschnitte (11) der Abgasleitungen (7) trägt, die im Bereich des Schiebers (10) etwa in einer Ebene aneinanderliegen.
Description
Die Erfindung betrifft einen mehrzylindrigen Verbrennungsmo
tor mit einem Abgasturbolader und mit mindestens zwei unter
schiedlichen Zylindern oder Zylindergruppen zugeordneten se
paraten Abgasleitungen zur Turbine des Abgasturboladers gemäß
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Mit der Speisung der Turbine mit separaten Abgasströmen un
terschiedlicher Zylinder oder Zylindergruppen kann bei aufge
ladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Motoren mit ei
ner ungünstigen Zündfolge, wie zum Beispiel 8- oder 5-Zylin
dermotoren, der Ladungswechsel verbessert werden. Bei der
Stoßaufladung, wobei gegebenenfalls die Abgase jedes Zylin
ders einzeln auf die Turbine geführt werden, sind die Wech
selwirkungen der Zylinder untereinander vermindert bzw. ver
mieden. Ein Teil der sonst nicht nutzbaren Expansionsarbeit
der Zylinder kann durch Stoßaufladung zurückgewonnen werden
und so der Energietransport zur Turbine stark verbessert wer
den. Insbesondere im unteren bis mittleren Last- und Dreh
zahlbereich des Verbrennungsmotors wird die Luftlieferung für
den Motor über die erhöhte Turbinenleistung und die damit ge
koppelte Verdichterleistung des Abgasturboladers begünstigt.
Im oberen Lastbereich etwa ab mittlerer Drehzahl des Verbren
nungsmotors wird sich jedoch bei den üblichen Turbinenausle
gungen bei Stoßaufladung eine Überladung des Motors ergeben.
Die DE 32 00 521 C2 schlägt eine Anordnung vor, welche für
die Leitung der Abgase zur Turbine zwei parallele Abgaslei
tungen vorsieht. Die Abgasleitungen weisen stromaufwärts der
Turbine eine Verbindung auf und sind entsprechend der Stel
lung eines Stellgliedes fluidisch verbindbar oder trennbar.
Das Stellglied ist als drehbare Zwischenwand der Kanäle aus
gebildet, deren Drehachse in Strömungsrichtung eingestellt
ist. Die drehbare Zwischenwand wird von einer Steuereinheit
eingestellt und in Abhängigkeit der Betriebslast bedarfsweise
in eine der Endstellungen gebracht. Zur Stoßaufladung im
unteren Teillastbereich werden die Abgasleitungen getrennt
und in der anderen Endstellung der Zwischenwand miteinander
verbunden.
Bei der bekannten Einrichtung mit der drehbaren Zwischenwand
zweier benachbarter Kanäle als Stellglied für die fluidische
Verbindung oder Trennung der Abgasströme der Zylinder ist ei
ne wirkungsvolle Stoßaufladung und die Umschaltung zwischen
den beiden zur Verfügung stehenden Aufladungsverfahren bei
vielzylindrigen Verbrennungsmotoren nicht oder nur mit hohem
baulichen Aufwand verbunden. Für jedes Abgasleitungspaar ist
ein eigenes Stellglied erforderlich, wobei die Stellbewegun
gen der mehreren Stellglieder miteinander synchronisiert wer
den müßten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
gattungsgemäßen Verbrennungsmotor derart weiterzubilden, daß
bei beliebigen Zylinderzahlen mit geringem baulichen Aufwand
eine bedarfsweise Verbindung oder Trennung der Abgasleitungen
vor der Turbine möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Pa
tentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist das Stellglied zur Trennung oder Verbin
dung der Abgasleitungen als Schieber ausgebildet, welcher
Wandabschnitte der Abgasleitungen trägt und in einem Bereich
der Abgasleitungen angeordnet ist, in dem die Abgasleitungen
etwa in einer Ebene aneinanderliegen. In Schließstellung des
Stellschiebers liegen die bewegbaren Wandabschnitte in Über
deckung mit den festliegenden Wandabschnitten der Abgaslei
tungen, welche somit fluidisch voneinander getrennt sind. Zur
Verbindung der Abgasleitungen werden zur Betätigung des
Schiebers die bewegbaren Wandabschnitte aus der Fluchtlage
mit der weiterführenden Leitungswand gebracht und so eine
Verbindung zwischen den aneinanderliegenden Abgasleitungen
freigegeben. Mittels des erfindungsgemäßen Schiebers werden
dabei sämtliche Abgasleitungen gleichzeitig miteinander ver
bunden oder bedarfsweise getrennt, um den Verbrennungsmotor
mit Stoßaufladung zu betreiben.
Zweckmäßig ist der Stellschieber im Bereich der Mündungen der
Abgasleitungen in die Turbine angeordnet und kann so in das
Turbinengehäuse integriert sein. Der Verlauf der Abgasleitun
gen zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Abgasturbolader
ist frei wählbar und somit auch bei erfindungsgemäßen Anord
nungen, bei denen jedem Zylinder eine separate Abgasleitung
zugeordnet werden soll, ein geringes Bauvolumen des Verbren
nungsmotors erreichbar. Der Schieber kann vorteilhaft axial
oder/und drehbar beweglich gestaltet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
Stellschieber als ringscheibenförmiger Drehschieber ausgebil
det, der konzentrisch zur Turbinenachse liegt. Die Mündungen
der Abgasleitungen in das Turbinengehäuse erstrecken sich da
bei kreissektoriell um die Drehachse der Turbine, wobei die
jeweiligen Abgasströme etwa tangential in die Turbine ein
strömen. Die Mündungssektoren der Abgasleitungen sind dabei
durch Wandabschnitte auf dem Drehschieber voneinander trenn
bar bzw. verbindbar. Die Mündungssektoren sind vorteilhaft
mit gleichen Umfangswinkeln um die Turbinenachse angeordnet,
wobei benachbarte Abgasleitungen im Bereich der Mündungen ei
nen gemeinsamen Wandabschnitt haben.
Es wird als zweckmäßig gesehen, wenn der Stellschieber pro
Abgasleitung eine hervorstehende Zunge trägt, welche gleich
mäßig am Umfang des Schiebers verteilt sind. In der Schließ
stellung des Schiebers zum Zwecke der Stoßaufladung werden
die Zungen mit den gemeinsamen Endabschnitten der Wände der
Abgasleitungen im Mündungsbereich in Flucht gebracht und so
die Zylinderabgase in getrennten Strömen einzeln in die Tur
bine geleitet. Die Dicke der Zungen und die Wandstärke der
gemeinsamen Endabschnitte der Abgasleitungen sind dabei etwa
gleich.
Im Stellschieber können eine oder mehrere Durchgangsöffnungen
in den Bereichen zwischen den Zungen vorgesehen sein, welche
in Radiallage eines vom Drehschieber abgedeckten Einganges
einer Abführleitung für Abgase liegt. Die Durchgangsöffnung
ist dabei in Überdeckung mit dem Eingang bringbar und wirkt
mit dem Rand des Einganges als Ventil zusammen. Über die Po
sition des Stellschiebers bzw. in der Ausführung des Stell
schiebers als Drehschieber über die Drehwinkelposition des
Drehschiebers ist so die Abführleitung steuerbar. Die Abführ
leitung aus dem Turbinengehäuse mündet zweckmäßig in die
Ladeluftleitung hinter dem Verdichter des Abgasturboladers
und kann für Zwecke einer Abgasrückführung oder auch für eine
Umblasung von Ladeluft in den Abgastrakt des Verbrennungsmo
tors eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Turbine mit integriertem
Stellschieber zur bedarfsweisen Verbindung der Ab
gasleitungen der Zylinder.
Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit im Ausführungs
beispiel vier Zylindern 2, welcher von einem Abgasturbolader
3 aufgeladen wird. Der Abgasturbolader 3 besteht in an sich
bekannter Weise aus einer Turbine 4, welche von den Abgasen
der Zylinder 2 beaufschlagt wird und über eine Lagerwelle 6
einen Verdichter 5 rotierend antreibt. Der Verdichter 5 för
dert über eine Ladeluftleitung verdichtete Verbrennungsluft
zu den Zylindern 2. In der Ladeluftleitung 19 ist ein Lade
luftkühler 21 angeordnet.
Die Turbine 4 ist in Mehrsegmentbauweise ausgebildet, wobei
die Abgase jedes Zylinders 2 über eine separate Abgasleitung
7 in die Turbine eingeleitet werden. Die Abgasströme der Zy
linder beaufschlagen die Turbine etwa tangential, wobei die
Mündungen 13 der Abgasleitungen 7 kreissektoriell mit glei
chen Umfangswinkeln um die Turbine 4 gruppiert sind.
Die Mündungen 13 der Abgasleitungen 7 liegen in einer gemein
samen Ebene, wobei die Wände 8, 9 benachbarter Abgasleitungen
7 einen gemeinsamen Endabschnitt bilden. Die Turbine 4 ist
umgeben von einem ringscheibenförmigen Drehschieber 10, wel
cher pro Abgasleitung 7 eine hervorstehende Zunge 11 trägt,
die in gleichem Umfangswinkelabstand angeordnet sind. Der
Drehschieber 10 ist um die Turbinenachse drehbeweglich, wobei
die Zungen 11 bedarfsweise in Flucht mit den feststehenden
Wandabschnitten 8, 9 der Abgasleitungen 7 bringbar sind. In
der gezeigten Stellung sind die Zungen aus der Überdeckung
mit den feststehenden Wandabschnitten 8, 9 gebracht, so daß
die Abgasleitungen 7 in fluidischer Verbindung stehen und die
Abgase aller Zylinder gemeinsam in die Turbine 4 einströmen.
Im unteren Teillastbereich des Verbrennungsmotors 1 wird der
Drehschieber 10 in die Schließstellung und die Zungen 11 in
Überdeckung mit den feststehenden Wandabschnitten 8, 9 ge
bracht, so daß die Abgasströme der Zylinder 2 getrennt in die
Turbine eingeleitet werden. Der Wirkungsgrad der Turbine 4
kann auf diese Weise aufgrund des bei Stoßaufladung verbes
serten Energietransportes zur Turbine 4 angehoben werden.
Dem Drehschieber 10 ist ein Stellantrieb 15 zugeordnet, wel
cher über eine Steuerleitung mit einer Steuereinheit 17 ver
bunden ist. Auf der Grundlage eines Eingangssignals 26 mit
Aussage über den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 1 er
zeugt die Steuereinheit 17 Stellbefehle für den Stellantrieb
15 und bringt den Drehschieber 10 in die für den vorliegenden
Betriebspunkt vorgesehene Stellung. Die vorgesehenen Einstel
lungspatameter für den Drehschieber 10 sind in einem Kenn
feldspeicher 25 abgelegt und für die Steuereinheit 17 zum be
darfsweisen Auslesen in Abhängigkeit des Eingangssignals 26
bereitgehalten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein
pneumatischer Stellantrieb 15 vorgesehen, wobei eine pneuma
tisch aus einem Zylinder ausschiebbare Schubstange über einen
Schwenkhebel auf den. Drehschieber 10 wirkt. Dem pneumatischen
Stellantrieb 15 ist ein Druckspeicher 28 zugeordnet. Es kön
nen jedoch auch andere Stellantriebe zweckmäßig sein, bei
spielsweise elektrische Antriebe.
Über eine Abführleitung 20 ist eine Teilmenge des Abgases des
Verbrennungsmotors 1 aus der Turbine 4 in die Ladeluftleitung
19 rückführbar. Die Abführleitung 20 mündet in Durchströ
mungsrichtung der Ladeluftleitung 19 hinter dem Verdichter 5
und dem Ladeluftkühler 21 ein, wobei im Mündungsbereich ein
Mixer 23 angeordnet ist. In der Abführleitung 20 ist des wei
teren ein Abgaskühler 22 für das rückgeführte Abgas vorgese
hen. Die Öffnung der Abführleitung 20 wird von dem Drehschie
ber 10 gesteuert, welcher den Eingang der Abführleitung 20 in
der Turbine 4 abdeckt und in Radiallage des Einganges eine
Durchgangsöffnung 24 aufweist. Zur Freigabe der Abführleitung
20 wird die Durchgangsöffnung 24 durch Verdrehen des Dreh
schiebers in Überdeckung mit dem Eintritt der Abführleitung
20 gebracht. Der für die Steuerzwecke der Abführleitung 20
vorgesehene Schwenkbereich des Drehschiebers 10 wird über den
Umfangswinkel der Durchgangsöffnung 24 abgestimmt. Die seit
liche Begrenzung der Durchgangsöffnung 24 in Umfangsrichtung
des Drehschiebers 10 wirkt mit dem Öffnungsrand des Einganges
der Abführleitung 20 zusammen und bildet eine Steuerkante ei
nes Ventils der Abführleitung 20. Die Steuerkante ist in der
Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Alternativ zur Ab
gasrückführung kann die Abführleitung auch zur Umblasung von
Ladeluft in die Turbine 4 eingesetzt werden, wodurch insbe
sondere im Teillastbereich des Verbrennungsmotors das Kraft
stoff/Lüft-Gemischverhältnis abgemagert werden und so die
Schadstoffemission besonders der nitrosen Gase abgesenkt wer
den kann.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Turbinengehäuse 14
der Ladeturbine des Verbrennungsmotors gemäß Fig. 1. Für
gleiche Bauteile sind dabei die gleichen Bezugszeichen wie in
Fig. 1 angegeben. In der gezeigten Darstellung befindet sich
der Drehschieber 10 in der Schließstellung, wobei die Zungen
11 in Flucht mit den gemeinsamen Endabschnitten 18 der fest
stehenden Wände 8, 9 benachbarter Abgasleitungen 7a-7d ge
bracht ist. Die Abgasleitungen 7a-7d sind so fluidisch von
einander getrennt, so daß die Abgase der Zylinder separat
durch das Leitgitter 12 in die Turbine 4 eintreten. Im höhe
ren Lastbereich wird der Drehschieber 10 in Drehrichtung 29
um die Turbinenachse 30 verschwenkt und so eine gleichzeitige
Verbindung aller Abgasleitungen 7a-7d über dem jeweils zwi
schen den Endabschnitten 18 und dem Leitgitter 20 freigegebe
nen Raum geschaffen.
Die Dicke der Zungen 11 entspricht der Wandstärke des Turbi
nengehäuses 14 im Bereich der gemeinsamen Endabschnitte 18
der benachbarten Abgasleitungen 7a-7d, so daß die Seitenflä
chen der Zungen 11 in der Schließstellung des Drehschiebers
10 mit den feststehenden Wänden 8, 9 der Abgasleitungen
fluchten. Die Abgasleitungen der vier Zylinder des Verbren
nungsmotors münden im wesentlichen tangential in die Turbine
4 ein und sind in gleichmäßiger Teilung um die Turbinenachse
30 gruppiert. Die Abgasleitungen 7a-7d sind im Bereich ihres
Eintrittes 13 in die Turbine geometrisch ähnlich geformt und
leiten das Abgas in einem einwärts zur Turbine 4 gerichteten
Bogen ein. Die Zungen 11 sind dem Bogenradius r der Abgaslei
tungen 7a-7d folgend gekrümmt und ermöglichen so in der
Schließstellung des Drehschiebers 10 eine verlängerte Führung
der eintretenden Abgasströme. Auf diese Weise können bei der
Stoßaufladung in jedem durch die Zungen 11 getrennten Turbi
nensegment die Abgase mit einem optimalen Eintrittsdrall in
das Leitgitter 12 gelangen.
Der Drehschieber der Turbine wird auch mit Vorteil zur Opti
mierung eines turbinenunterstützten Motorbremsbetriebes ein
gesetzt. Im Bremsbetrieb wird gezielt die Aufstauwirkung der
Turbine auf das zuströmende Abgas unterstützt, so daß der
Verbrennungsmotor durch die erhöhte Kolbenarbeit zum Aus
schieben der Abgase gegen den hohen Staudruck vor der Turbine
abgebremst wird. Die Bremsleistungs-Kennlinie der Turbine
kann durch entsprechende Einstellung des Drehschiebers und
die damit erreichte Wirkung der Zungen auf die vorbeiströmen
den Abgase beeinflußt werden. Die erforderlichen Einstel
lungsdaten für den Drehschieber 10 im Motorbremsbetrieb sind
im Kennfeld 25 der Steuereinheit 17 abgelegt und können bei
Vorliegen der Bremsleistungsanforderung abgerufen werden.
Claims (12)
1. Mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbo
lader (3) und mit mindestens zwei unterschiedlichen Zy
lindern (2) oder Zylindergruppen zugeordneten separaten
Abgasleitungen (7) zur Turbine (4) des Abgasturboladers
(3), welche entsprechend der Stellung eines Stellgliedes
(10) vor dem Eintritt in die Turbine (4) fluidisch ver
bindbar oder trennbar sind, wobei das Stellglied (10)
über eine Steuerleitung (27) mit einer Steuereinheit (17)
verbunden ist und Stellbefehle zur bedarfsweisen Trennung
oder Verbindung der Abgasleitungen (7) in Abhängigkeit
des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors (1) empfängt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitungen (7) im Be
reich des Stellgliedes (10) etwa in einer Ebene aneinan
derliegen und das Stellglied als Wandabschnitte (11) der
Abgasleitungen (7) tragender Schieber (10) ausgebildet
ist, wobei die bewegbaren Wandabschnitte (11) in Schließ
stellung des Schiebers (10) zum Trennen der Abgasleitun
gen (7) in Überdeckung mit den festliegenden Wandab
schnitten (8, 9) bringbar sind.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellschieber (10) im Be
reich der Mündungen (13) der Abgasleitungen (7) in die
Turbine (4) angeordnet ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stellschieber (10) axial
oder/und drehbar beweglich ist.
4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mündungen der Abgas
leitungen (7) in die Turbine kreissektoriell um die Dreh
achse (30) der Turbine (4) erstrecken und der Stellschie
ber (10) als ringscheibenförmiger, konzentrisch zur Tur
binenachse (30) liegender Drehschieber (10) ausgebildet
ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (10) pro Ab
gasleitung (7) eine hervorstehende Zunge trägt, welche
gleichmäßig am Umfang des Drehschiebers (10) verteilt
sind und mit den gemeinsamen Endabschnitten (18) der
feststehenden Wände (8, 9) der Abgasleitungen (7) als
Wandfortsatz in Flucht bringbar sind.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zungen (11) der
Wandstärke der Endabschnitte (18) der Abgasleitungen (7)
etwa gleich ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschieber (10) in
Durchströmungsrichtung der Turbine (4) vor einem Turbi
nenleitgitter (12) angeordnet ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitungen (7) zur
Turbine gebogen tangential zum Leitgitter (12) in das
Turbinengehäuse (14) einmünden und die Zungen (11) dem
Bogenradius (r) folgend gekrümmt sind.
9. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zungen (11) eine
oder mehrere Durchgangsöffnungen (24) im Drehschieber
(10) vorgesehen ist, welche in Radiallage eines vom Dreh
schieber (10) abgedeckten Einganges einer Abführleitung
(20) liegt und mit seiner in Umfangsrichtung des Dreh
schiebers (10) liegenden Steuerkante (31) mit dem Öff
nungsrand des Einganges als Ventil zusammenwirkt.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abführleitung (20) in die
Ladeluftleitung (19) hinter dem Verdichter (5) des Abgas
turboladers (3) führt.
11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellschieber (10) ein
von der Steuereinheit (17) schaltbarer, insbesondere
elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Stellan
trieb (15) zugeordnet ist.
12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (14) im
voraus ermittelte Stellungen des Drehschiebers (10) für
jeden Betriebspunkt des Motors (1) sowie für einen turbi
nenunterstützten Motorbremsbetrieb vorgegeben sind.
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