DE19918232A1 - Mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader - Google Patents

Mehrzylindriger Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader

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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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