DE202013102463U1 - Internal combustion engine with multi-flow turbine - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern (11, 12, 13, 14), bei der – jeder Zylinder (11, 12, 13, 14) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (11, 12, 13, 14) via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung (15a, 16a) anschließt, – mindestens vier Zylinder (11, 12, 13, 14) in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern (11, 12, 13, 14) bilden, – die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder (11, 14) und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder (12, 13) umfasst, wobei die Abgasleitungen (15a) der beiden außenliegenden Zylinder (11, 14) der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers (15) zu einer ersten Gesamtabgasleitung (15A) und die Abgasleitungen (16a) der mindestens zwei innenliegenden Zylinder (12, 13) der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers (16) zu einer zweiten Gesamtabgasleitung (16A) zusammenführen, und – die beiden Gesamtabgasleitungen (15A, 16A) mit einer mehrflutigen Turbine (1), die mindestens ein in einem Turbinengehäuse (2) auf einer drehbaren Welle (4) gelagertes Laufrad (3) umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung (15A, 16A) mit einer der mindestens zwei Fluten (8, 9) der Turbine (1) verbunden ist, wobei die mindestens zwei Fluten (8, 9) bis hin zum mindestens einen Laufrad (3) mittels Gehäusewandung (5) voneinander getrennt sind und unterschiedliche Längen und unterschiedliche Volumina aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Gesamtabgasleitung (15A) mit einer ersten Flut (8), welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden ist und die zweite Gesamtabgasleitung (16A) mit einer zweiten Flut (9), welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden ist.Internal combustion engine with at least one cylinder head with at least four cylinders (11, 12, 13, 14) arranged in line, in which - each cylinder (11, 12, 13, 14) has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases from the cylinder (11, 12 , 13, 14) via the exhaust gas discharge system and an exhaust line (15a, 16a) connects to each outlet opening, - at least four cylinders (11, 12, 13, 14) are configured in such a way that they are two groups with at least two cylinders each (11, 12, 13, 14), - the first cylinder group comprises the two outer cylinders (11, 14) and the second cylinder group comprises the at least two inner cylinders (12, 13), the exhaust pipes (15a) of the two outer cylinders (11, 14) of the first cylinder group forming a first exhaust manifold (15) to form a first overall exhaust line (15A) and the exhaust lines (16a) of the at least two inner cylinders (12, 13) of the second cylinder group forming a it merge the second exhaust manifold (16) to a second total exhaust line (16A), and - the two total exhaust lines (15A, 16A) with a multi-flow turbine (1), the at least one mounted in a turbine housing (2) on a rotatable shaft (4) The impeller (3) are connected in such a way that a total exhaust gas line (15A, 16A) is connected to one of the at least two flows (8, 9) of the turbine (1), the at least two flows (8, 9) up to the at least one impeller (3) are separated from one another by means of the housing wall (5) and have different lengths and different volumes, characterized in that - the first overall exhaust line (15A) with a first flow (8), which is the smaller length and the Has smaller volume, is connected and the second total exhaust line (16A) with a second flow (9), which has the greater length and the greater volume, is connected.
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfasst, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der mindestens zwei innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer mehrflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der mindestens zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die mindestens zwei Fluten bis hin zum mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und unterschiedliche Längen und unterschiedliche Volumina aufweisen.
- Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
- At least four cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders,
- The first cylinder group comprises the two outer cylinders and the second cylinder group comprises at least two inner cylinders, the exhaust pipes of the two outer cylinders of the first cylinder group forming a first exhaust manifold to a first exhaust line and the exhaust pipes of at least two inner cylinders of the second cylinder group Forming a second exhaust manifold merge to form a second total exhaust line, and
- - The two total exhaust gas lines with a Mehrflutigen turbine comprising at least one mounted in a turbine housing on a rotatable shaft impeller are connected in such a way that in each case an overall exhaust gas line is connected to one of the at least two floods of the turbine, wherein the at least two floods until towards the at least one impeller by means of housing wall are separated from each other and have different lengths and different volumes.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Dieselmotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden. 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, d. H. Internal combustion engines operated by a hybrid combustion process.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der mindestens vier Zylinder miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme des Ventiltriebs. Um den Ladungswechsel zu steuern, benötigt eine Brennkraftmaschine Steuerorgane – in der Regel in Gestalt von Ventilen- und Betätigungseinrichtungen zur Betätigung dieser Steuerorgane. Der für die Bewegung der Ventile erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich der Ventile selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Ausschieben der Verbrennungsgase über die Auslassöffnungen der mindestens zwei Zylinder und das Füllen der Brennräume, d. h. das Ansaugen des Frischgemisches bzw. der Ladeluft über die Einlassöffnungen. Internal combustion engines have a cylinder block and a cylinder head, which are connected together to form the at least four cylinders. The cylinder head is usually used to hold the valve train. In order to control the charge exchange, an internal combustion engine requires control devices - usually in the form of valves and actuators for actuating these control elements. The required for the movement of the valves valve actuating mechanism including the valves themselves is referred to as a valve train. As part of the charge exchange, the exhaust of the combustion gases via the outlet openings of the at least two cylinders and the filling of the combustion chambers, d. H. the intake of the fresh mixture or the charge air via the inlet openings.
Die Abgasleitungen, die sich an die Auslassöffnungen anschließen, sind nach dem Stand der Technik zumindest teilweise im Zylinderkopf integriert und werden zu einer gemeinsamen Gesamtabgasleitung oder aber gruppenweise zu zwei oder mehreren Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Das Zusammenführen von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Gesamtabgasleitung als zum Abgaskrümmer gehörend angesehen wird. The exhaust pipes, which connect to the outlet openings, are at least partially integrated in the cylinder head according to the prior art and are combined to form a common overall exhaust gas line or in groups to two or more total exhaust gas lines. Merging exhaust pipes to an overall exhaust line is referred to generally and in the context of the present invention as an exhaust manifold, and in the context of the present invention the total exhaust line is considered to belong to the exhaust manifold.
Auf welche Weise die Abgasleitungen der mindestens vier Zylinder im Einzelfall zusammengeführt werden, d. h. die konkrete Auslegung des Abgasabführsystems, hängt im Wesentlichen davon ab, welcher Betriebsbereich der Brennkraftmaschine Priorität genießt, d. h. hinsichtlich welcher Betriebsbereiche das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine optimiert werden soll. In which way the exhaust pipes of the at least four cylinders are brought together in the individual case, d. H. the concrete design of the exhaust system essentially depends on which operating range of the internal combustion engine takes priority, d. H. with regard to which operating ranges the operating behavior of the internal combustion engine is to be optimized.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, bei denen im Abgasabführsystem mindestens eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen ist und die bei niedrigen Drehzahlen bzw. bei kleineren Abgasmengen ein zufriedenstellendes Betriebsverhalten aufweisen sollen, wird eine sogenannte Stoßaufladung angestrebt, d. h. bevorzugt. In supercharged internal combustion engines in which at least one turbine of an exhaust gas turbocharger is provided in Abgasabführsystem and which should have a satisfactory performance at low speeds or smaller amounts of exhaust gas, a so-called shock charging is sought, d. H. prefers.
Dabei sollen die – insbesondere während des Ladungswechsels – im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge zum Zwecke der Aufladung und zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine genutzt werden. The purpose is to use the dynamic wave processes which take place in the exhaust gas removal system, in particular during the charge exchange, for the purpose of charging and for improving the operating behavior of the internal combustion engine.
Die Evakuierung der Verbrennungsgase aus einem Zylinder der Brennkraftmaschine im Rahmen des Ladungswechsels beruht im Wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Mechanismen. Wenn sich zu Beginn des Ladungswechsels das Auslassventil nahe des unteren Totpunktes öffnet, strömen die Verbrennungsgase aufgrund des gegen Ende der Verbrennung im Zylinder vorherrschenden hohen Druckniveaus und der damit verbundenen hohen Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung mit hoher Geschwindigkeit durch die Auslassöffnung in das Abgasabführsystem. Dieser druckgetriebene Strömungsvorgang wird durch eine hohe Druckspitze begleitet, die auch als Vorauslassstoß bezeichnet wird und sich entlang der Abgasleitung mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzt, wobei sich der Druck mit zunehmender Wegstrecke infolge Reibung mehr oder weniger stark abbaut, d. h. verringert. The evacuation of the combustion gases from a cylinder of the internal combustion engine in the context of the charge exchange is based essentially on two different mechanisms. When, at the beginning of the charge cycle, the exhaust valve opens near bottom dead center, the combustion gases flow at high speed through the exhaust port into the exhaust system due to the high pressure level prevailing in the cylinder at the end of the combustion and the associated high pressure difference between the combustion chamber and the exhaust pipe. This pressure-driven flow process is accompanied by a high pressure peak, which is also referred to as Vorlassstoß and propagates along the exhaust pipe at the speed of sound, whereby the pressure degrades more or less with increasing distance due to friction, d. H. reduced.
Im weiteren Verlauf des Ladungswechsels gleichen sich die Drücke im Zylinder und in der Abgasleitung an, so dass die Verbrennungsgase primär nicht mehr druckgetrieben evakuiert, sondern infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben werden. In the course of the charge cycle, the pressures in the cylinder and in the exhaust line are equalized, so that the combustion gases are primarily not evacuated pressure driven, but due the lifting movement of the piston are pushed out.
Bei niedrigen Drehzahlen kann der Vorauslassstoß in vorteilhafter Weise zur Stoßaufladung genutzt werden, wobei zeitlich kurze, hohe Druckimpulse bestmöglich zur Energienutzung in der Turbine genutzt werden. Auf diese Weise können mittels Abgasturboaufladung auch bei nur geringen Abgasmengen, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, hohe Ladedruckverhältnisse, d. h. hohe Ladedrücke auf der Einlassseite generiert werden. At low speeds, the pre-discharge pulse can advantageously be used for boost charging, wherein short time, high pressure pulses are used as best as possible for energy use in the turbine. In this way, by turbocharging even with only small amounts of exhaust gas, especially at low speeds, high boost pressure conditions, d. H. high boost pressures are generated on the inlet side.
Die Stoßaufladung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Beschleunigung des Turbinenlaufrades, d. h. bei der Erhöhung der Turbinendrehzahl, die im Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine bzw. bei geringen Abgasmengen spürbar absinken kann und häufig bei erhöhter Lastanforderung mittels Abgasstrom möglichst verzögerungsfrei wieder angehoben werden soll. Die Trägheit des Laufrades und die Reibung in der Wellenlagerung verzögern in der Regel eine Beschleunigung des Laufrades auf höhere Drehzahlen und damit einen unmittelbaren Anstieg des Ladedrucks. The bumping proves to be particularly advantageous in the acceleration of the turbine wheel, d. H. in increasing the turbine speed, which can drop noticeably in the idling mode of the engine or at low amounts of exhaust gas and often with increased load request by means of exhaust gas flow should be raised as quickly as possible again. The inertia of the impeller and the friction in the shaft bearing delay usually an acceleration of the impeller to higher speeds and thus an immediate increase in boost pressure.
Um die im Abgasabführsystem ablaufenden dynamischen Wellenvorgänge, insbesondere die Vorauslassstöße, für die Stoßaufladung zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine nutzen zu können, müssen die Druckspitzen bzw. Vorauslassstöße im Abgasabführsystem erhalten werden. Vorteilhaft ist es daher, wenn sich die Druckimpulse in den Abgasleitungen nicht gegenseitig abschwächen bzw. aufheben. To be able to use the running in the Abgasabführsystem dynamic wave processes, in particular the Vorlassstöße for the supercharging to improve the performance of the engine, the pressure peaks or Vorlassstöße must be obtained in Abgasabführsystem. It is therefore advantageous if the pressure pulses in the exhaust pipes do not weaken or cancel each other out.
Diesbezüglich ist es zielführend, die Zylinder in der Weise zu gruppieren bzw. die Abgasleitungen in der Weise zusammen zu führen, dass die hohen Drücke, insbesondere die Vorauslassstöße der einzelnen Zylinder, im Abgasabführsystem erhalten werden und eine gegenseitige Beeinflussung weitestgehend vermieden werden kann. In this regard, it is expedient to group the cylinders in such a way or to bring the exhaust pipes together in such a way that the high pressures, in particular the Vorlassstöße the individual cylinders are obtained in Abgasabführsystem and mutual interference can be largely avoided.
Eine Brennkraftmaschine, bei der die Zylinder gruppiert sind, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Erfindungsgemäß sind die mindestens vier in Reihe angeordneten Zylinder in der Art konfiguriert, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden. Die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammen. Die Zylinder sind dabei in der Art konfiguriert, dass sich die dynamischen Wellenvorgänge in den Abgasleitungen der Zylinder einer Gruppe möglichst wenig nachteilig beeinflussen. An internal combustion engine in which the cylinders are grouped is also an object of the present invention. According to the invention, the at least four cylinders arranged in series are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders. The exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group lead together to form an exhaust gas manifold, forming an exhaust gas manifold. The cylinders are configured in such a way that the dynamic wave processes in the exhaust pipes of the cylinders of a group have the least adverse effect.
Bei einem Zylinderkopf mit vier in Reihe angeordneten Zylindern ist es diesbezüglich vorteilhaft, zwei Zylinder, die einen Zündabstand von 360°KW aufweisen, jeweils zu einer Zylindergruppe zusammen zu fassen. Wird beispielweise die Zündung in den Zylindern gemäß der Zündfolge 1-2-4-3 bzw. gemäß der Zündfolge 1-3-4-2 initiiert, ist es vorteilhaft, die außenliegenden Zylinder zu einer ersten Gruppe und die innenliegenden Zylinder zu einer zweiten Gruppe zusammen zu fassen. In a cylinder head with four cylinders arranged in series, it is advantageous in this regard, two cylinders, which have a firing interval of 360 ° KW, each to form a cylinder group together. If, for example, the ignition in the cylinders is initiated according to the ignition sequence 1-2-4-3 or according to the ignition sequence 1-3-4-2, it is advantageous for the outer cylinders to be a first group and the inner cylinders to be a second group to get together.
Aus den vorstehend genannten Gründen umfasst die erste Zylindergruppe der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder. Eine derartige Gruppierung bzw. Ausgestaltung des Abgasabführsystems hat nicht nur Vorteile hinsichtlich einer möglichen Stoßaufladung, d. h. hinsichtlich der Verbesserung der Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen. Vielmehr ergeben sich weitere Vorteile, insbesondere hinsichtlich einer Restgasausspülung bzw. betreffend die Reduzierung des Restgasanteils in den Zylindern. For the reasons stated above, the first cylinder group of the internal combustion engine according to the invention comprises the two outer cylinders and the second cylinder group comprises the at least two inner cylinders. Such a grouping or configuration of the Abgasabführsystems not only has advantages in terms of a possible shock charging, d. H. in terms of the improvement of the torque characteristic of the internal combustion engine at low speeds. Rather, there are further advantages, in particular with regard to a residual gas purging or regarding the reduction of the residual gas content in the cylinders.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Druckwellen, die von einem Zylinder ausgehen, nicht nur durch die mindestens eine Abgasleitung dieses Zylinders laufen, sondern vielmehr auch entlang der Abgasleitungen der anderen Zylinder und zwar gegebenenfalls bis zu der am Ende der jeweiligen Leitung vorgesehenen Auslassöffnung. It should be noted in this context that the pressure waves emanating from a cylinder, not only run through the at least one exhaust pipe of this cylinder, but also along the exhaust pipes of the other cylinder and possibly up to the provided at the end of the respective pipe outlet ,
Während des Ladungswechsels bereits in eine Abgasleitung ausgeschobenes bzw. abgeführtes Abgas kann somit erneut in den Zylinder gelangen und zwar infolge der Druckwelle, die von einem anderen Zylinder ausgeht. Exhaust gas that has already been ejected or discharged into an exhaust gas line during the charge exchange can therefore again enter the cylinder as a result of the pressure wave that emanates from another cylinder.
Als besonders nachteilig erweist es sich, wenn gegen Ende des Ladungswechsels an der Auslassöffnung eines Zylinders Überdruck herrscht, denn in dieser Phase des Ladungswechsels werden die Verbrennungsgase maßgeblich infolge der Hubbewegung des Kolbens ausgeschoben. Probleme beim Ladungswechsel ergeben sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, wenn während einer Ventilüberschneidung, bei der das Auslassventil bei geöffnetem Einlassventil noch nicht geschlossen ist, Abgas unter Inkaufnahme von Spülverlusten weitestgehend aus dem Zylinder ausgespült werden soll. It proves to be particularly disadvantageous if overpressure prevails at the outlet opening of a cylinder towards the end of the charge cycle, because in this phase of the charge cycle, the combustion gases are significantly ejected as a result of the stroke movement of the piston. Problems in the charge cycle arise especially at low speeds, if during a valve overlap, in which the exhaust valve is not closed when the inlet valve is open, exhaust gas should be flushed out at the expense of flushing losses as far as possible from the cylinder.
Die Problematik betreffend die gegenseitige Einflussnahme der Zylinder beim Ladungswechsel ist von zunehmender Relevanz, da die Abgasleitungen bzw. die Abgaskrümmer bei modernen Brennkraftmaschinen immer kürzer ausgeführt werden, insbesondere da die Abgaskrümmer zunehmend häufig in den Zylinderkopf integriert werden. The problem concerning the reciprocal influence of the cylinders during the charge change is of increasing relevance, since the exhaust pipes or the exhaust manifolds in modern internal combustion engines are made shorter and shorter, in particular because the exhaust manifolds are increasingly being integrated into the cylinder head.
Die kurzen Abgasleitungen können dazu führen, dass sich die Zylinder der Brennkraftmaschine beim Ladungswechsel gegenseitig in nachteiliger Weise beeinflussen, insbesondere der durch eine ablaufende Restgasausspülung erzielte Effekt zumindest teilweise zunichte gemacht wird. The short exhaust pipes can cause the cylinders of the internal combustion engine when changing the charge each other in disadvantageous Influence manner, in particular the effect achieved by an expiring Restgasausspülung is at least partially nullified.
Bei einem Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem sämtliche Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen und dessen Zylinder mit der Zündfolge 1-3-4-2 betrieben werden, kann beispielsweise der vierte Zylinder den in der Zündfolge vorangehenden dritten Zylinder, d. h. den vorher gezündeten Zylinder, während des Ladungswechsels sogar in der Weise beeinflussen, dass aus dem vierten Zylinder stammendes Abgas in den dritten Zylinder gelangt, bevor dessen Auslassventile schließen. For example, in a four-cylinder in-line engine in which all the exhaust pipes merge into one exhaust line and the cylinder thereof is operated with the firing order 1-3-4-2, the fourth cylinder may precede the third cylinder in the firing order, i.e., the third cylinder. H. even affect the previously ignited cylinder, during the charge exchange even in such a way that exhaust gas originating from the fourth cylinder enters the third cylinder before close the exhaust valves.
Um der vorstehend beschriebenen Problematik entgegen zu treten, ist es zielführend, die mindestens vier Zylinder wie bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zu gruppieren. In order to counteract the problem described above, it is expedient to group the at least four cylinders as in the internal combustion engine according to the invention.
Bevor die Druckwelle, die von einem Zylinder der Gruppe ausgeht, die Auslassöffnung eines anderen Zylinders dieser Gruppe erreicht, hat das Auslassventil diese Auslassöffnung verschlossen, denn die Zylinder sind derart gruppiert, dass infolge ihres thermodynamischen Versatzes, d. h. ihres Zündabstandes, eine gegenseitige Einflussnahme beim Ladungswechsel unterbunden wird. Before the pressure wave originating from one cylinder of the group reaches the exhaust port of another cylinder of this group, the exhaust valve has closed this exhaust port because the cylinders are grouped such that due to their thermodynamic offset, i. H. their ignition distance, a mutual influence is prevented when changing the charge.
Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass eine Gruppierung der Zylinder in der erfindungsgemäßen Weise bei der konstruktiven Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine von zunehmender Bedeutung ist und zwar sowohl im Zusammenhang mit einer möglichen Stoßaufladung als auch bezüglich einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels. The above statements make it clear that a grouping of the cylinder in the inventive manner in the structural design of an internal combustion engine is of increasing importance, both in connection with a possible shock charging and with respect to a most effective residual gas purging in the context of the charge cycle.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Abgasabführsystem optimiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Stoßaufladung und einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels. Against the background of the above, it is the object of the present invention to provide an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, the Abgasabführsystem is optimized, in particular with regard to a shock charging and the most effective residual gas purging in the context of the charge cycle.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens vier in Reihe angeordneten Zylindern, bei der
- – jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder via Abgasabführsystem aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
- – mindestens vier Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass sie zwei Gruppen mit jeweils mindestens zwei Zylindern bilden,
- – die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die mindestens zwei innenliegenden Zylinder umfasst, wobei die Abgasleitungen der beiden außenliegenden Zylinder der ersten Zylindergruppe unter Ausbildung eines ersten Abgaskrümmers zu einer ersten Gesamtabgasleitung und die Abgasleitungen der mindestens zwei innenliegenden Zylinder der zweiten Zylindergruppe unter Ausbildung eines zweiten Abgaskrümmers zu einer zweiten Gesamtabgasleitung zusammenführen, und
- – die beiden Gesamtabgasleitungen mit einer mehrflutigen Turbine, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst, in der Art verbunden sind, dass jeweils eine Gesamtabgasleitung mit einer der mindestens zwei Fluten der Turbine verbunden ist, wobei die mindestens zwei Fluten bis hin zum mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind und unterschiedliche Längen und unterschiedliche Volumina aufweisen,
- – die erste Gesamtabgasleitung mit einer ersten Flut, welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden ist und die zweite Gesamtabgasleitung mit einer zweiten Flut, welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden ist.
- Each cylinder has at least one outlet opening for discharging the exhaust gases out of the cylinder via the exhaust gas removal system and an exhaust gas line adjoins each outlet opening,
- At least four cylinders are configured in such a way that they form two groups each having at least two cylinders,
- The first cylinder group comprises the two outer cylinders and the second cylinder group comprises at least two inner cylinders, the exhaust pipes of the two outer cylinders of the first cylinder group forming a first exhaust manifold to a first exhaust line and the exhaust pipes of at least two inner cylinders of the second cylinder group Forming a second exhaust manifold merge to form a second total exhaust line, and
- - The two total exhaust gas lines with a Mehrflutigen turbine comprising at least one mounted in a turbine housing on a rotatable shaft impeller are connected in such a way that in each case an overall exhaust gas line is connected to one of the at least two floods of the turbine, wherein the at least two floods until towards the at least one impeller are separated by means of housing wall and have different lengths and different volumes,
- The first overall exhaust gas line is connected to a first trough having the smaller length and the smaller volume, and the second total exhaust gas line is connected to a second trough having the greater length and the larger volume.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die beiden Gesamtabgasleitungen mit den mindestens zwei Fluten nicht wahllos, d. h. beliebig, verbunden, sondern vielmehr in einer ganz bestimmten Weise kombiniert, um die Stoßaufladung mittels mehrflutiger Turbine zu optimieren. Dabei macht sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine den Umstand zunutze, dass sowohl die mindestens zwei Abgaskrümmer als auch die mindestens zwei Turbinenfluten unterschiedlich große Volumina aufweisen und diese Volumina Einfluss haben auf die dynamischen Wellenvorgänge im Abgasabführsystem und damit auch auf die Stoßaufladung bzw. auf die die Stoßaufladung prägenden Druckimpulse. In the internal combustion engine according to the invention, the two total exhaust pipes with the at least two floods are not random, d. H. arbitrarily connected, but rather combined in a very specific way to optimize the bumping by means of multi-flow turbine. In this case, the internal combustion engine according to the invention makes use of the fact that both the at least two exhaust manifolds and the at least two turbine flows have different sized volumes and these volumes have an influence on the dynamic wave processes in the exhaust gas removal system and thus also on the bump charging or on the bump charging pressure pulses.
Die zum ersten Abgaskrümmer und damit zu dem großvolumigen Abgaskrümmer gehörende erste Gesamtabgasleitung wird erfindungsgemäß mit einer ersten Flut, welche die kleinere Länge und das kleinere Volumen aufweist, verbunden, wohingegen die zum zweiten Abgaskrümmer und damit zu dem kleinvolumigen Abgaskrümmer gehörende zweite Gesamtabgasleitung mit einer zweiten Flut, welche die größere Länge und das größere Volumen aufweist, verbunden ist. According to the invention, the first overall exhaust gas line belonging to the first exhaust manifold and thus to the large-volume exhaust manifold is connected to a first flow, which has the smaller length and the smaller volume, whereas the second exhaust gas line belonging to the second exhaust manifold and thus to the small-volume exhaust manifold has a second flow , which has the greater length and the larger volume connected.
Diese Maßnahme dient dazu, den Unterschied der beiden Volumina, welche sich stromaufwärts des Laufrades jeweils aus dem Volumen einer Flut und dem Volumen des zugeordneten Abgaskrümmers zusammensetzen, zu vermindern, idealerweise zu eliminieren. This measure serves to determine the difference between the two volumes, which are upstream of the impeller in each case from the volume of a flood and the volume of the associated Compound exhaust manifold, reduce, ideally to eliminate.
Zu berücksichtigen ist nämlich, dass unterschiedlich große Volumina der Abgasabführteilsysteme umfassend einen Krümmer und eine Flut zu nachteiligen Effekten führen betreffend das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine bei Stoßaufladung. It should be noted, namely, that different sized volumes of Abgababteilteilsysteme comprising a manifold and a flood lead to adverse effects regarding the performance of the internal combustion engine in shock charging.
Unterschiedlich große Volumina führen nämlich zu unterschiedlich großen Druckimpulsen am Ende der Fluten stromaufwärts des Laufrades. Eine Variation der Amplitude der Druckimpulse ist aber hinsichtlich einer Stoßaufladung unvorteilhaft. Wünschenswert sind vielmehr gleichgroße Druckimpulse am Ende der Fluten vor Eintritt in das Laufrad und damit möglichst gleichgroße Volumina der Teilsysteme. Differently large volumes lead namely to differently sized pressure pulses at the end of the floods upstream of the impeller. However, a variation in the amplitude of the pressure pulses is unfavorable in terms of shock charging. On the contrary, it is desirable to have equally large pressure pulses at the end of the floods before they enter the impeller and thus volumes of the subsystems that are as equal as possible.
Auch die Wegstrecken, welche die Druckimpulse in den jeweiligen Abgasabführteilsystemen von der Auslassöffnung bis hin zum Laufrad zurücklegen müssen, sind unterschiedlich groß, d. h. unterschiedlich lang, weshalb die zeitlichen Abstände zwischen den am Laufrad eintreffenden Druckimpulsen ebenfalls unterschiedlich groß sind, d. h. variieren. The distances, which must cover the pressure pulses in the respective Abgasabführteilsystemen from the outlet opening to the impeller are of different sizes, d. H. different lengths, which is why the time intervals between the impulse impulses arriving at the impeller are also different in size, d. H. vary.
Das erfindungsgemäße, d. h. das gezielte Kombinieren der Gesamtabgasleitungen mit den Fluten dient auch dazu, den Unterschied in den Wegstrecken zu mindern bzw. zu eliminieren, so dass die Druckimpulse regelmäßig und mit gleichgroßen zeitlichen Abständen am Laufrad eintreffen. The inventive, d. H. The targeted combination of the total exhaust gas lines with the floods also serves to reduce or eliminate the difference in the distances, so that the pressure pulses arrive regularly and with equal intervals at the impeller.
Wie vorstehend ausführlich dargelegt, zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise dadurch aus, dass sich die beiden Abgasabführteilsysteme der zwei Zylindergruppen, die sich von den Auslassöffnungen der jeweiligen Zylinder bis hin zum Laufrad erstrecken und jeweils einen Krümmer und die dazugehörige Flut umfassen, möglichst wenig in ihrem Abgasvolumen unterscheiden und die Druckimpulse ähnlich große Wegstrecken bis hin zum Laufrad zu überbrücken haben. As explained in detail above, the internal combustion engine according to the invention advantageously characterized by the fact that the two Abgasabführteilsysteme the two cylinder groups that extend from the outlet openings of the respective cylinder to the impeller and each include a manifold and the associated flood, as little as possible differ in their exhaust gas volume and the pressure pulses have similar distances to bridge to the impeller.
Eine effektive Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels entschärft bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen die Klopfproblematik. An effective Restgasausspülung in the context of the charge change mitigates the knock problem in externally ignited internal combustion engines.
Damit wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Abgasabführsystem optimiert ist, insbesondere hinsichtlich einer Stoßaufladung und einer möglichst effektiven Restgasausspülung im Rahmen des Ladungswechsels. Thus, the object underlying the invention is achieved, namely provided an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, the Abgasabführsystem is optimized, in particular with regard to a shock charging and the most effective residual gas purging in the context of the charge cycle.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden die Abgasleitungen von mindestens vier Zylindern unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt. Insofern sind Ausführungsformen mit fünf oder mehr Zylindern, bei denen die Abgasleitungen von mehr als vier Zylindern zu zwei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. In the internal combustion engine according to the invention, the exhaust gas lines of at least four cylinders are brought together to form two exhaust gas manifolds to two total exhaust gas lines. In this respect, embodiments with five or more cylinders, in which the exhaust pipes of more than four cylinders are combined to form two total exhaust pipes, are also internal combustion engines according to the invention.
Auch eine Brennkraftmaschine mit beispielsweise sechs Zylindern, bei der die Abgasleitungen der sechs Zylinder zu drei Gesamtabgasleitungen zusammengeführt werden und diese drei Gesamtabgasleitungen mit einer dreiflutigen Turbine verbunden werden, ist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Also, an internal combustion engine with, for example, six cylinders, in which the exhaust gas lines of the six cylinders are merged into three total exhaust pipes and these three total exhaust gas lines are connected to a three-flow turbine, is an internal combustion engine according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert. Im Folgenden wird von einer zweiflutigen Turbine ausgegangen, falls im Einzelfall nicht ausdrücklich etwas anderes Gegenstand der Beschreibung ist. Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims. In the following, it is assumed that a twin-flow turbine, if not specifically in the individual case subject of the description.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Abgaskrümmer ein größeres Volumen aufweist als der zweite Abgaskrümmer. Die Gründe sind die bereits Genannten. Embodiments of the internal combustion engine in which the first exhaust manifold has a larger volume than the second exhaust manifold are advantageous. The reasons are the ones already mentioned.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mehrflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, vorzugsweise eine Doppelstromturbine, bei der die zwei Fluten – in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse des mindestens einen Laufrades gesehen – aufeinander liegend angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen. Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the multi-flow turbine is a double-flow turbine, preferably a double-flow turbine, in which the two floods - seen in a section perpendicular to the axis of rotation of the at least one impeller - are arranged one above the other and the at least one impeller at least along an arcuate Spiral section on different sized radii enclose.
Bei Doppelstromturbinen sind die beiden Fluten radial unterschiedlich weit beabstandet zur Welle des Laufrades angeordnet, weshalb die beiden Fluten einer Doppelstromturbine zwangsläufig unterschiedlich große Längen und unterschiedlich große Volumen aufweisen und sich die erfindungsgemäße Maßnahme beim Kombinieren der Gesamtabgasleitungen mit den Fluten besonders vorteilhaft auswirkt. In double-flow turbines, the two floods are arranged radially differently spaced apart from each other to the shaft of the impeller, which is why the two floods of a double-flow turbine inevitably have different lengths and different volumes and the measure according to the invention when combining the total exhaust pipes with the floods particularly advantageous.
Wird als zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine eingesetzt, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen jede Flut am laufradseitigen Ende eine Austrittsöffnung aufweist, die das mindestens eine Laufrad entlang eines bogenförmigen Abschnitts von im Wesentlichen 180° umschließt. If a twin-flow turbine is used as the double-flow turbine, embodiments are advantageous in which each trough has an outlet opening at the impeller end which encloses the at least one impeller along an arcuate section of substantially 180 °.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen die mehrflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, vorzugsweise eine Zwillingsstromturbine, bei der die beiden Fluten das mindestens eine Laufrad – nebeneinander angeordnet – zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen. Embodiments of the internal combustion engine may also be advantageous in which the multi-flow turbine is a twin-flow turbine, preferably a twin-flow turbine, in which the two floods the at least one impeller arranged side by side - at least along an arcuate portion spirally enclose on equal radii.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Fluten der Turbine innerhalb des Turbinengehäuses durch Freigeben mindestens einer Öffnung in der Gehäusewandung stromaufwärts des Laufrades miteinander verbindbar sind. Advantageous embodiments of the internal combustion engine, in which the at least two floods of the turbine within the turbine housing by releasing at least one opening in the housing wall upstream of the impeller are connected to each other.
Die Stoßaufladung hat auch Nachteile. Zu berücksichtigen ist, dass eine Turbine ohne stoßweise und ohne wechselnd teilbeaufschlagt zu werden am effektivsten betrieben wird. Um eine stromabwärts der Zylinder im Abgasabführsystem vorgesehene Turbine bei hohen Motordrehzahlen optimal betreiben zu können, sollte die Turbine mit einem zeitlich möglichst konstanten Abgasdruck beaufschlagt werden, weshalb ein sich wenig verändernder Druck stromaufwärts der Turbine bevorzugt wird, um eine sogenannte Stauaufladung zu realisieren. Bump charging also has disadvantages. It should be taken into account that a turbine is operated most effectively without intermittently and without alternating partial loading. In order to be able to optimally operate a turbine provided downstream of the cylinders in the exhaust-gas removal system at high engine speeds, the turbine should be subjected to an exhaust gas pressure that is as constant as possible in time, which is why a slightly changing pressure upstream of the turbine is preferred in order to realize a so-called congestion charging.
Durch ein entsprechend großes Abgasvolumen stromaufwärts der Turbine können die Druckpulsationen in den Abgasleitungen geglättet werden. Insofern erweist sich die Gruppierung der Zylinder, bei der die Abgasleitungen gruppenweise zusammengeführt werden und bis hin zum Laufrad voneinander getrennt sind, wodurch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine in mehrere Teilvolumina aufgeteilt wird, als kontraproduktiv. By a correspondingly large volume of exhaust gas upstream of the turbine, the pressure pulsations in the exhaust pipes can be smoothed. In this respect, the grouping of cylinders, in which the exhaust pipes are combined in groups and are separated from each other to the impeller, whereby the volume of Abgasabführsystems upstream of the turbine is divided into several sub-volumes proves to be counterproductive.
Bei der in Rede stehenden Ausführungsform der Brennkraftmaschine kann das Volumen des mit einer einzelnen Flut der Turbine kommunizierenden Abgassystems variiert werden und zwar durch ein Verbinden bzw. Trennen der Fluten der Turbine. In the present embodiment of the internal combustion engine, the volume of the exhaust system communicating with a single trough of the turbine can be varied by connecting or disconnecting the tides of the turbine.
Folglich kann auch das Abgasvolumen bzw. das Abgasabführsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der mehrflutigen Turbine an unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine, insbesondere an unterschiedlich großen Abgasmengen bzw. Drehzahlen, angepasst und diesbezüglich optimiert werden. Consequently, the exhaust gas volume or the Abgasabführsystem upstream of the at least one impeller of Mehrflutigen turbine to different operating conditions of the internal combustion engine, in particular at different levels of exhaust gas quantities or speeds, adapted and optimized in this regard.
Grundsätzlich können auch die mindestens zwei Abgaskrümmer miteinander verbindbar ausgebildet werden. Das Verbinden der mindestens zwei Fluten der Turbine hat aber demgegenüber den Vorteil, dass die verbindende Öffnung der Abgassysteme der Zylindergruppen weiter entfernt von den Auslassöffnungen der Zylinder angeordnet ist, wodurch die abgasleitungsmäßige Wegstrecke zwischen einem Zylinder der einen Gruppe und einem Zylinder der anderen Gruppe vergrößert wird. Der Gefahr einer gegenseitigen, insbesondere nachteiligen Einflussnahme beim Ladungswechsel wird dadurch entgegen gewirkt. In principle, the at least two exhaust manifolds can be made connectable to each other. The connection of the at least two floods of the turbine, however, has the advantage that the connecting opening of the exhaust systems of the cylinder groups is arranged farther away from the outlet openings of the cylinders, whereby the exhaust gas line between a cylinder of one group and a cylinder of the other group is increased , The risk of mutual, in particular adverse influence on the change of charge is counteracted.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein verschiebbares Wandstück vorgesehen ist, das dem Freigeben der mindestens einen Öffnung in der Gehäusewandung dient. Die Verwendung eines Wandstücks eröffnet die Möglichkeit, eine vergleichsweise große Öffnung in einfacher Weise eben durch Verschieben dieses Wandstücks freizugeben. Embodiments of the internal combustion engine in which at least one displaceable wall piece is provided, which serves to release the at least one opening in the housing wall, are advantageous. The use of a wall piece opens the possibility to release a comparatively large opening in a simple manner just by moving this piece of wall.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens ein Absperrelement in der Gehäusewandung vorgesehen ist, das dem Freigeben der mindestens einen Öffnung in der Gehäusewandung dient. Es können auch mehrere Öffnungen und Absperrelemente vorgesehen werden. Embodiments of the supercharged internal combustion engine may also be advantageous in which at least one shut-off element is provided in the housing wall, which serves to release the at least one opening in the housing wall. It can also be provided more openings and shut-off elements.
Mit Hilfe eines Absperrelementes kann der Strömungsquerschnitt der Öffnung verändert werden. Insbesondere wird die Öffnung für das Abgas freigegeben bzw. verschlossen, d. h. die beiden Fluten werden miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder dergleichen ist. With the help of a shut-off element, the flow cross-section of the opening can be changed. In particular, the opening for the exhaust gas is released or closed, d. H. the two floods are connected or separated from each other. Embodiments in which the shut-off element is a valve, a slide, a flap or the like are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine. Embodiments in which the shut-off element can be controlled electrically, hydraulically, pneumatically, mechanically or magnetically, preferably by means of the engine control of the internal combustion engine, are advantageous.
Das Absperrelement ist vorzugsweise zweistufig schaltbar ausgeführt in der Art, dass es die mindestens eine Öffnung entweder verschließt oder freigibt, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere Kostenvorteile bietet. Das Absperrelement kann aber auch stufenlos schaltbar sein, um beispielsweise einen sprunghaften Drehmomentabfall bzw. Drehmomentanstieg bei Betätigen des Absperrelements, d. h. beim Übergang von der Stoßaufladung zur Stauaufladung und umgekehrt, zu vermeiden oder um in bestimmten Betriebsbereichen sich durch Zwischenstellungen ergebende höhere Energieausnutzung ausnützen zu können. The shut-off element is preferably designed to be switchable in two stages in such a way that it either closes or releases the at least one opening, which simplifies the control and, in particular, offers cost advantages. However, the shut-off element may also be infinitely variable, for example, a sudden torque drop or increase in torque when the shut-off element is actuated, d. H. in the transition from bumping to congestion charging and vice versa, to avoid or to exploit in certain operating areas through intermediate positions resulting higher energy efficiency can.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche und fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird. Embodiments of the internal combustion engine in which the housing wall is an immovable wall fixedly connected to the housing are advantageous. This embodiment of the housing wall ensures that the heat introduced by the hot exhaust gas into the housing wall is dissipated in an advantageous manner and to a sufficient extent into and via the housing.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Zylindergruppe die beiden außenliegenden Zylinder und die zweite Zylindergruppe die beiden innenliegenden Zylinder umfasst. In internal combustion engines with four cylinders in series, embodiments are advantageous in which the first cylinder group, the two outer cylinders and the second Cylinder group includes the two inner cylinder.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasleitungen der Zylinder jeder Zylindergruppe innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung von zwei Abgaskrümmern jeweils zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen. Embodiments of the internal combustion engine in which the exhaust gas lines of the cylinders of each cylinder group within the cylinder head together to form two exhaust manifolds each lead to an overall exhaust gas line are advantageous.
Die im Abgasabführsystem vorgesehene mehrflutige Turbine kann dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat gleich mehrere Vorteile, insbesondere weil sich die Abgasleitungen zwischen den Zylindern und der Turbine verkürzen. The multi-flow turbine provided in the exhaust-gas removal system can then be located very close to the outlet of the internal combustion engine, i. H. be arranged close to the outlet openings of the cylinder. This has several advantages, especially because shorten the exhaust pipes between the cylinders and the turbine.
Da sich der Weg zur Turbine für die heißen Abgase verkürzt, nimmt auch das Volumen der Abgaskrümmer bzw. des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt durch Reduzierung der Masse und der Länge der beteiligten Abgasleitungen ebenfalls ab. As the path to the turbine for the hot exhaust gases is shortened, the volume of the exhaust manifold or Abgasabführsystems decreases upstream of the turbine. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases by reducing the mass and the length of the involved exhaust pipes.
Auf diese Weise kann die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbine gewährleistet werden. In this way, the exhaust enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust pressure and the exhaust gas temperature, optimally utilized and a rapid response of the turbine can be ensured.
Die vorgeschlagene Maßnahme führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. The proposed measure further leads to a compact design of the cylinder head and thus the internal combustion engine according to the invention and allows a dense packaging of the entire drive unit.
Die Verkürzung der Leitungslängen und die damit einhergehende Verkleinerung des Abgasvolumens stromaufwärts der Turbine unterstützt die Stoßaufladung im unteren Drehzahlbereich. The shortening of the line lengths and the concomitant reduction of the exhaust volume upstream of the turbine supports the boost charge in the lower speed range.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mehrflutige Turbine die Turbine eines Abgasturboladers ist. Ein Abgasturbolader umfasst eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the multi-flow turbine is the turbine of an exhaust-gas turbocharger are advantageous. An exhaust-gas turbocharger comprises a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase. The advantage of an exhaust gas turbocharger, for example in comparison to a mechanical supercharger, is that no mechanical connection is required for transmitting power between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Vorzugsweise ist eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können. Preferably, a charge air cooling is provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder. As a result, the density of the charge air supplied continues to increase. The cooling also contributes in this way to a compression and better filling of the combustion chambers, d. H. to an improved degree of filling, at. It may be advantageous to equip the intercooler with a bypass line in order to bypass the intercooler when necessary, for example, after a cold start.
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. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. At the same vehicle boundary conditions, the load collective can thus be shifted to higher loads in which the specific fuel consumption is lower.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, dass mehrere Lader, Abgasturbolader und/oder mechanische Lader, parallel und/oder in Reihe angeordnet im Abgasabführsystem vorgesehen werden. The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine can be improved by providing a plurality of superchargers, exhaust-gas turbochargers and / or mechanical superchargers, arranged in parallel and / or in series in the exhaust-gas removal system.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist; beispielsweise ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter. Embodiments of the internal combustion engine in which at least one exhaust aftertreatment system is provided in the exhaust gas removal system are advantageous; For example, an oxidation catalyst, a three-way catalyst, a storage catalyst, a selective catalyst and / or a particulate filter.
Beim Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art werden die mindestens zwei Fluten der Turbine miteinander verbunden, um von der Stoßaufladung zur Stauaufladung zu wechseln. Vorteilhaft ist es, die mindestens zwei Fluten der Turbine miteinander zu verbinden, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt. When operating an internal combustion engine of the type described above, the at least two floods of the turbine are connected to each other in order to change from the supercharging to the jam charging. It is advantageous to connect the at least two floods of the turbine with each other when the speed of the internal combustion engine exceeds a first predetermined speed.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der
In der linken Hälfte der
Die dargestellte Doppelstromturbine
Die Doppelstromturbine
In der rechten Hälfte der
Die beiden außenliegenden Zylinder
Jeweils eine Gesamtabgasleitung
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die beiden Abgasabführteilsysteme umfassend jeweils einen Krümmer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- zweiflutige Turbine twin-flow turbine
- 1a 1a
- Doppelstromturbine Double-flow turbine
- 2 2
- Turbinengehäuse turbine housing
- 3 3
- Laufrad Wheel
- 4 4
- Drehachse, Welle Rotation axis, shaft
- 5 5
- Gehäusewandung housing
- 6 6
- erste Eintrittsöffnung first entrance opening
- 7 7
- zweite Eintrittsöffnung second inlet
- 8 8th
- erste Flut first tide
- 9 9
- zweite Flut second tide
- 10 10
- Flansch flange
- 11 11
- erster Zylinder first cylinder
- 12 12
- zweiter Zylinder second cylinder
- 13 13
- dritter Zylinder third cylinder
- 14 14
- vierter Zylinder fourth cylinder
- 15 15
- erster Abgaskrümmer der ersten Zylindergruppe first exhaust manifold of the first cylinder group
- 15a 15a
- Abgasleitung eines Zylinders der ersten Zylindergruppe Exhaust pipe of a cylinder of the first cylinder group
- 15A 15A
- erste Gesamtabgasleitung first total exhaust gas line
- 16 16
- zweiter Abgaskrümmer der zweiten Zylindergruppe second exhaust manifold of the second cylinder group
- 16a 16a
- Abgasleitung eines Zylinders der zweiten Zylindergruppe Exhaust pipe of a cylinder of the second cylinder group
- 16A 16A
- zweite Gesamtabgasleitung second total exhaust line
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (5)
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-
2013
- 2013-06-10 DE DE202013102463U patent/DE202013102463U1/en not_active Expired - Lifetime
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