DE3815991C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einer gattungsgemäßen, in dem JP-A 61-2 10 224 offenbar­ ten Brennkraftmaschine ist vorgesehen, die beiden Abgastur­ bolader im gesamten Last- und Drehzahlbereich immer gleichmäßig zu beaufschlagen. Demzufolge liegen in niede­ ren Drehzahlbereichen auch nur relativ geringe Strömungs­ geschwindigkeiten der Abgase vor, wodurch die Laderdreh­ zahlen derart gering sind, daß bei einem positiven Last­ wechsel nur ein sehr schleppender Ladedruckaufbau gegeben ist. Geringe Strömungsgeschwindigkeiten in diesen Betriebs­ bereichen liegen auch einlaßseitig vor, so daß aufgrund verringerter Turbulenzen im Brennraum der Brennkraftmaschi­ ne eine zufriedenstellende Gemischbildung, insbesondere bei Dieselmotoren nicht gewährleistet ist.

Aus der DE-PS 8 50 965 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die über zwei Abgasturbolader aufgeladen wird, von denen einer bei Bedarf mittels Sperrerelementen im Auslaß- und Einlaßtrakt stillgelegt werden kann. Sowohl die Ein- und die Auslaßkanäle für beide Turbolader sind strömungstech­ nisch miteinander verbunden, so daß im Falle eines zuge­ schalteten zweiten Turboladers beide Aufladevorrichtungen wie ein einziger Turbolader wirken. Wie die einzelnen Ein- und Auslaßkanäle im Falle der Verwendung eines Vierven­ til-Zylinderkopfes anzuordnen sind, darüber sagt die DE-PS 8 50 965 nichts aus.

Aus dem JP-A 60 79 123 ist es ferner bekannt, die Ventile bei einem Vierventilzylinderkopf derart anzuordnen, daß bezüglich eines gedachten Vierecks, dessen Eckpunkte durch die beiden Ein- und Auslaßventile gebildet sind, die beiden Einlaßventile auf einer Diagonalen und die beiden Auslaßventile auf der anderen Diagonalen liegen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Hauptan­ spruches beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher schon in niederen Drehzahlbereichen ein deutlich verbesserter Ladedruckaufbau bei positivem Lastwechsel und eine opti­ male Gemischbildung im Brennraum erreichbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine einer der beiden Abgasturbolader sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig mittels geeigneter Sperrelemente abtrennbar ist, ist es möglich, daß das gesamte Abgas eines Zylinders über nur einen Auslaßkanal zur Turbine geführt werden kann, infolgedessen das Abgas eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Die Laderdrehzahl kann damit im Falle eines abgetrennten Abgasturboladers schon in niedersten Drehzahlbereichen auf einem relativ hohen Niveau gehalten werden, so daß bei einem positiven Lastwechsel ein schneller Ladedruckaufbau gewährleistet ist.

Wie auf der Auslaßseite strömen bei abgetrenntem Abgastur­ bolader jetzt auch die gesamten Ansauggase nicht mehr über zwei sondern nur noch über einen Einlaßkanal in den Brennraum. Dies führt natürlich ebenso zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, so daß ebenfalls schon in niederen Drehzahlbereichen optimale Voraussetzungen für eine intensive Vermischung des Kraftstoffes mit der Verbren­ nungsluft vorliegen. Die Gemischbildung wird noch weiter verbessert, wenn der Einlaßkanal der unverschließbaren Einlaßseite zusätzlich als Drallkanal ausgebildet ist. Dabei ermöglicht die Erfindung durch entsprechendes Zu- oder Abschalten des einen Abgasturboladers ferner eine optimale Anpassung des für eine gute Gemischbildung erforderlichen Drallniveaus im Zylinder über verschiedene Last- und Drehzahlzustände der Brennkraftmaschine. Führt man den nicht verschließbaren Einlaßkanal z. B. mit hohem Drall aus, so kann der Drall im Zylinder nach Zufügung eines ggf. drallschwachen, zweiten Einlaßkanals über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine weitgehend konstant gehalten werden. Andererseits können aber z. B. für Ottomotoren in hohen Drehzahlbereichen hohe Turbulen­ zen erzeugt werden.

Die diagonale Anordnung der Ventile ist insofern vorteil­ haft, als daß sie eine optimale Wärmeverteilung im Zylin­ derkopf gewährleistet, ganz im Gegensatz zur motorachspa­ rallelen Anordnung der Ein- bzw. Auslaßventile, bei der das Temperaturgefälle zwischen der heißen Auslaßseite und der relativ dazu gesehen kalten Einlaßseite sehr groß ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer Prinzipdarstel­ lung.

Es zeigt 1 in einer Draufsicht einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, bei welcher der Gaswechsel über zwei diagonal gegenüber angeordnete Einlaßventile 2 und 3 und zwei ebenfalls diagonal gegenüber angeordnete Auslaßven­ tile 4 und 5 gesteuert wird. Das Auslaßventil 4 ist in einem ersten Auslaßkanal 6 und das Einlaßventil 2 in einem ersten Einlaßkanal 7 angeordnet. Es ist ferner ein erster Abgasturbolader 8 vorgesehen, dessen Turbine 9 über den ersten Auslaßkanal 6 vom Abgas beaufschlagbar ist und dessen Verdichter 10 die über die Ansaugleitung 11 ange­ saugte Frischluft durch den Einlaßkanal 7 in den Brennraum 1 fördert. In einer an die Turbine 9 angeschlossenen Abgasleitung 12 und in dem Einlaßkanal 7 ist jeweils eine Klappe 13 bzw. 14 angeordnet, von denen jede entweder nur in Schließ- oder nur in Öffnungsstellung gehalten werden kann. Beide Klappen 13 und 14 sind über ein in der Zeich­ nung gestrichelt dargestelltes Betätigungsgestänge 15 derart miteinander verbunden, daß eine vollkommen syn­ chrone Betätigung der beiden Klappen 13 und 14 realisier­ bar ist. Zwischen der Klappe 14 und dem Verdichter 10 ist ein Ladeluftkühler 16 vorgesehen. Das Einlaßventil 3 ist in einem weiteren Einlaßkanal 17, welcher im Bereich des Eintritts in den Brennraum 1 als Drallkanal ausgebildet ist und das Auslaßventil 5 in einem weiteren Auslaßkanal 18 angeordnet. Auch auf dieser "Ventilseite" ist ein Abgasturbolader 19 vorgesehen, dessen Turbine 20 vom Abgas beaufschlagbar ist und dessen Verdichter 21 die Frischluft in Richtung Brennraum 1 fördert. Dabei wird der Ladeluft ebenfalls über einen Kühler Wärme entzogen.

Während des Betriebs der Brennkraftmaschine sind nun im unteren Drehzahlbereich, also bis hin zu einem vorgege­ benen Drehzahlgrenzwert n _G beide Klappen 13 und 14 in Schließstellung gehalten, wodurch der Abgasturbolader 8 sozusagen "stillgelegt" ist und der Gaswechsel aus­ schließlich nur über die beiden Ventile 3 und 5 erfolgt. Dabei strömt die vom Verdichter 21 geförderte Frischluft durch den drallförmigen Einlaßkanal 17 mit einem erhöhten Drall in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine. Infolge dessen, daß sämtliche Frischgase nur über den Einlaßkanal 17 in den Brennraum 1 geführt werden, liegt in diesem Kanal 17 eine hohe Strömungsgeschwindigkeit vor, die sich positiv auf die Drall- und Turbulenzerzeugung im Brennraum 1 auswirkt. Analog zur Einlaßseite strömen aufgrund eines stillgelegten Auslaßkanales 6 die Abgase mit einer relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit durch den Auslaßkanal 18 zur Turbine 20. Diese hohe Abgasströmungsgeschwindigkeit gewährleistet somit schon im unteren Drehzahlbereich ein hohes Drehzahlniveau des Abgasturboladers 19, so daß dieser z. B. nach einem positiven Lastwechsel sehr schnell anspricht.

In mittleren und höheren Drehzahlbereichen, d. h. ab Erreichen des vorgegebenen Drehzahlgrenzwertes n _G werden die beiden Klappen 13 und 14 durch eine entsprechende Betätigung des Gestänges 15 mittels eines geeigneten Stellantriebes (symbolisch dargestellt durch den Pfeil 23) in Öffnungsstellung überführt. Damit sind die beiden Ventile 2 und 4 wieder an der Gaswechselsteuerung betei­ ligt, d. h. also, die Abgase strömen nun über beide Turbinen 9 und 20, und die Frischgase werden über beide Verdichter 10 und 21 in den Brennraum 1 gefördert. Dabei wirkt jetzt die über den nahezu ohne Drall ausgebildeten Einlaßkanal 7 in den Brennraum 1 eintretende Frischgas­ strömung zur Unterstützung der Drallbewegung der über den Einlaßkanal 17 einströmenden Frischgase.

Anstelle einer drehzahlabhängigen Betätigung der beiden Klappen 13 und 14 ist es selbstverständlich auch möglich, eine Betätigung in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, wie z. B. der Brennkraftmaschi­ nenlast, vorzunehmen.

Die Lage der beiden Klappen 13 und 14 ist nicht einge­ schränkt auf die in der Zeichnung dargestellte. Die Klappen 13 und 14 können an beliebiger Stelle an der Auslaß- bzw. der Einlaßseite angeordnet sein, also auch z.B. stromauf der Turbine 9 bzw. stromauf des Verdichters 10. Darüber hinaus ist es auch denkbar, die Abtrennung des einen Abgasturboladers nicht mittels zweier Klappen durchzuführen sondern diese Abtrennung durch unmittelbare Stillegung der beiden Ventile 2 und 4 selbst zu realisie­ ren.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich auch nicht nur auf Einzylinder-Brennkraftmaschinen. Im Falle mehrer Zylinder können natürlich mehrere Auslaßkanäle bzw. mehrere Einlaßkanäle einer Turboladerseite zu je einer Sammelleitung zusammengeführt werden. Es muß immer nur gewährleistet sein, daß die Ein- und Auslaßkanäle einer Turboladerseite strömungstechnisch getrennt von denen der anderen Turboladerseite verlaufen.

Zur Stoßausnutzung ist es bei 6, 8 oder 12 Zylinderbrenn­ kraftmaschinen auch denkbar, zwei Abgasturbolader mit Zwillingstromgehäuse zu verwenden.

Claims (7)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine, bei welcher in den Brennraum eines Zylinders zwei mittels je eines Einlaß­ ventiles verschließbare Einlaßkanäle und zwei mittels je eines Auslaßventiles verschließbare Auslaßkanäle einmünden und bei welcher jeweils ein Ein- und ein Auslaßkanal mit dem Verdichter bzw. der Turbine eines ersten Abgasturbo­ laders und der jeweils andere Ein- und Auslaßkanal mit dem Verdichter bzw. der Turbine eines weiteren Abgasturbola­ ders verbunden ist, wobei die beiden Einlaßkanäle strö­ mungstechnisch voneinander und die beiden Auslaßkanäle strömungstechnisch voneinander getrennt geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit demselben Abgasturbolader (8) verbundene Ein- und Auslaßseite über je ein Sperrelement bedarfsweise verschließbar ist.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Auslaßseite verschließende Sperrelement als eine in einer stromab der Turbine (9) vorgesehenen Abgasleitung (12) angeordnete Klappe (13) und das die Einlaßseite verschließende Sperrelement als eine in dem Einlaßkanal (7) angeordnete Klappe (14) ausgebildet ist.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Klappen (13 und 14) unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes n _G für die Brennkraftmaschinendrehzahl in Schließstellung gehalten sind.

4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Klappen (13 und 14) über eine deren syn­ chrone Verstellung bewirkende Einrichtung (15) miteinander gekoppelt sind.

5. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich eines gedachten Vierecks, dessen Eckpunkte durch die beiden Ein- (2 und 3) und Auslaßventile (4 und 5) gebildet sind, die beiden Einlaßventile (2 und 3) auf einer Diagonalen und die beiden Auslaßventile (4 und 5) auf der anderen Diagonalen liegen.

6. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (17) der unverschließbaren Einlaßseite als Drallkanal ausgebildet ist.

7. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einlaßkanäle (7 und 17) ein unterschied­ liches Drallniveau besitzen.