DE3821937A1 - Ventilgesteuerte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine ventilgesteuerte Brenn­ kraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei bekannten Brennkraftmaschinen dieser Art sind alle Auslaßkanäle mit einem Abgaskrümmer verbunden, der mittels eines Abgassammelrohres mit der Turbine des Abgasturbo­ laders in Verbindung steht. Von diesem Abgassammelrohr zweigt die Bypaßleitung ab. Um im oberen Drehzahlbereich bei Vollast möglichst geringe Strömungswiderstände im Aus­ puffsystem zu erreichen, wird der Querschnitt des Abgas­ sammelrohres entsprechend dem maximal auftretenden Ab­ gasmassenstrom, der bei Vollast und Maximaldrehzahl auf­ tritt, ausgelegt. Durch diesen großen Leitungsquerschnitt wird jedoch die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im unteren Drehzahlbereich erheblich verringert, wodurch das Ansprechverhalten der Abgasturbine verschlechtert wird.

Aus der DE-OS 33 12 093 ist es bekannt, bei Erreichen eines bestimmten Ladedruckes einzelne Abgasleitungen unter Umgehung der Abgasturbine direkt mit dem Abgas­ auslaß hinter der Turbine zu verbinden, während die anderen Abgasleitungen ständig mit der Abgasturbine verbunden sind. Dadurch soll der Abgasgegendruck ver­ ringert werden. Es findet jedoch keine Verbesserung des Ansprechverhaltens der Abgasturbine statt, da die Querschnitte der Abgasleitungen und der Abgassammelrohre auf die Verhältnisse bei Vollast und hohen Drehzahlen ausgelegt werden müssen. Überdies ergeben sich bei Voll­ last, wenn einzelne Abgasleitungen direkt mit dem Abgas­ auslaß hinter der Turbine in Verbindung stehen, unter­ schiedliche Abgasgegendrücke für die einzelnen Zylinder, was zu unterschiedlichen Restgasanteilen in den Zylindern führt und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine verschlechtert.

Eine Verbesserung des Ansprechverhaltens der Abgasturbine wird bei dem Gegenstand der DE-PS 36 02 615 dadurch er­ reicht, daß die Abgasleitungen von den Zylindern einzeln zum Turbineneinlaß geführt werden und ihr Querschnitt für hohe Strömungsgeschwindigkeiten im unteren Drehzahl­ bereich ausgebildet ist und daß die Bypaßleitung mit den einzelnen Abgasleitungen nahe ihrer Anschlüsse an die Auslaßkanäle verbunden ist. Dadurch wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der in die Turbine eintretenden Abgase bereits bei niederer Drehzahl erreicht und das An­ sprechverhalten des Abgasturboladers entsprechend ver­ bessert, während im oberen Drehzahlbereich nach dem Öffnen des Abblaseventils ein Teil der Abgase durch die Bypaßleitung abströmen kann, so daß trotz des ver­ hältnismäßig geringen Querschnittes der zu der Abgas­ turbine führenden Abgasleitungen der Gesamtströmungs­ widerstand und damit der Druckverlust gering gehalten wird. Trotzdem müssen die Auslaßventile und die Auslaß­ kanäle entsprechend dem maximal auftretenden Abgasmassen­ strom ausgelegt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraft­ maschine der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der das Ansprechverhalten des Abgasturboladers nochmals ver­ bessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Strömungsgeschwindigkeit der der Abgasturbine zugeführten Abgase optimal, da die Abgasleitung nur entsprechend dem für den maximal zulässigen Ladedruck benötigten Abgas­ massenstrom ausgelegt ist. Wenn der maximal zulässige Ladedruck erreicht ist, öffnet in üblicher Weise das Abblaseventil mehr oder weniger, so daß ein Teil des Abgasmassenstromes durch den zweiten Auslaßkanal und die Bypaßleitung abströmen kann. Mit dem erfindungsge­ mäßen Vorschlag erhält man auch noch den Vorteil, daß das dem zweiten Auslaßkanal zugeordnete Auslaßventil thermisch wenig belastet wird, da es zwar auch bei nicht geöffnetem Abblaseventil in normaler Weise geöffnet und geschlossen, jedoch nicht von den heißen Abgasen umströmt wird.

Bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen kann man jeweils die ersten Auslaßkanäle der Zylinder in einem Abgassammelrohr zusammenfassen, das zur Turbine führt, wobei dessen Quer­ schnitt geringer ist als der Querschnitt des üblichen Abgassammelrohres, der für den Maximaldurchsatz aller Zylinder ausgelegt werden muß. Alternativ wäre es auch möglich, die an die ersten Auslaßkanäle anschließenden Abgasleitungen entsprechend dem Vorschlag gemäß DE-PS 36 02 615 einzeln bis zum Turbineneintritt zu führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in welcher eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Abgas­ turbolader in schematischer Darstellung gezeigt ist.

In der Zeichnung ist eine Brennkraftmaschine 1 mit vier Zylindern 2 dargestellt, die jeweils zwei Einlaßventile 3 und zwei Auslaßventile 4 und 5 aufweisen. An die ersten Auslaßventile 4 schließen sich erste Auslaßkanäle 4 a an, die mit einem ersten Abgaskrümmer 7 verbunden sind, der über ein Abgassammelrohr 8 mit dem Eintritt einer Ab­ gasturbine 9 eines Abgasturboladers 10 in Verbindung steht. An die zweiten Auslaßventile 5 schließen sich zweite Auslaßkanäle 5 a an, die mit einem zweiten Abgas­ krümmer 11 in Verbindung stehen, an den eine Bypaßlei­ tung 12 angeschlossen ist, welche die Turbine 9 umgeht und in die Abgasleitung 13 stromab der Abgasturbine 9 mündet. In der Bypaßleitung 12 ist ein Abblaseventil 14 angeordnet, das von dem Ladedruck gesteuert wird. Die Abgasturbine 9 treibt einen Verdichter 15 an, der Frisch­ luft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch durch eine Ansaug­ leitung 16 ansaugt und durch eine Ladeluftleitung 17 zu einem Ansaugkrümmer 18 fördert, der mit den von den Ein­ laßventilen 3 beherrschten Einlaßkanälen 19 in Ver­ bindung steht. In der Ladeluftleitung 17 ist eine Drossel­ klappe 20 angeordnet. Das Abblaseventil 14 kann sich gegen die Kraft einer Schließfeder 16 mit Hilfe des Ladedrucks öffnen, der durch eine Leitung 22 von der Ladeluftleitung 17 zugeführt wird.

Der zu der Abgasturbine 9 führende Abgasstrang, der aus den Auslaßkanälen 4 a, dem Auspuffkrümmer 7 und dem Ab­ gassammelrohr 8 besteht, ist nicht, wie üblich, ent­ sprechend dem Maximaldurchsatz bei Vollast und Höchst­ drehzahl ausgelegt, sondern nur entsprechend dem für den maximal zulässigen Ladedruck benötigten Abgasmassenstrom. Dieser Abgasmassenstrom entspricht also dem Ladedruck, bei dem das Abblaseventil 14 geöffnet wird. Er beträgt je nach Größe und Verwendungszweck der Brennkraftmaschine häufig nur etwa 50% des maximalen Abgasmassenstromes. Somit kann der Querschnitt des Abgastraktes 4 a, 7, 8 verhältnismäßig klein sein, wodurch die in die Abgas­ turbine 9 eintretenden Abgase eine hohe Strömungsge­ schwindigkeit haben, was zu einem schnellen Ansprechen des Abgasturboladers 10 beim Beschleunigen, d.h. bei niedriger Drehzahl und Vollast, führt. Ist der kritische Ladedruck erreicht, so öffnet das Abblaseventil 14 und die Brenngase können aus den einzelnen Zylindern 2 nun auch über das zweite Auslaßventil 5 durch den zweiten Auslaßkanal 5 a, den zweiten Auspuffkrümmer 11 und die Bypaßleitung 12 abströmen.

Der Querschnitt des mit dem Eingang der Abgasturbine 9 in Verbindung stehenden Abgasstranges kann nach der Gleichung für die Strömung in Rohrleitungen berechnet werden mit dem Ziel, daß bei gegebenem Abgasmassenstrom eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine möglichst geringe Drosselung erreicht wird.

Die Größe der Auslaßventile 4, 5 ist über die Parameter Ventilhub und Ventildurchmesser den jeweiligen maximalen Abgasmassenströmen anzupassen.

Die zweiten Auslaßventile 5 können die gleichen Steuer­ zeiten (Auslaß öffnet, Auslaß schließt, bezogen auf Grad Kurbelwinkel) haben wie die ersten Auslaßventile 4, da eine Strömung über die zweiten Auslaßventile 5 erst dann eintreten kann, wenn das Abblaseventil 14 geöffnet wird. Dadurch, daß bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Auslaßventilen die einzelnen Auslaßquerschnitte kleiner sind als der Auslaßquerschnitt einer Brennkraftmaschine mit nur einem Auslaßventil, erfolgt die Beaufschlagung der Abgasturbine 9 mit höherer kinetischer Abgasenergie, wodurch wiederum das Hochlaufen des Turbinenlaufrades beschleunigt und die Ansprechzeit des Abgasturboladers verkürzt wird.

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, unterschiedliche Steuerzeiten zu verwenden, beispielsweise AÖ (Auslaß öffnet) für die ersten Auslaßventile 4 früher als für die zweiten Auslaßventile 5, um der Turbine 9 mög­ lichst viel Energie zur Verfügung zu stellen.

Claims (2)

1. Ventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit zwei Auslaß­ kanälen (4 a, 5 a) pro Zylinder (2), die jeweils von einem Auslaßventil (4, 5) beherrscht sind, und mit einem Abgasturbolader (10) sowie einer die Turbine (9) des Abgasturboladers umgehenden, von einem Ab­ blaseventil (14) beherrschten Bypaßleitung (12) für einen Teil der Abgase zur Begrenzung des Ladedrucks, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Auslaßkanal (4 a) über eine Abgaslei­ tung (7, 8) mit dem Turbineneintritt und der zweite Auslaßkanal (5 a) mit der Bypaßleitung (12) verbunden ist, und daß der Querschnitt der Abgasleitung (7, 8) nur entsprechend dem für den maximal zulässigen Ladedruck erforderlichen Abgasmassenstrom ausge­ legt ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das dem ersten Auslaßkanl (4 a) zuge­ ordnete Auslaßventil (4) früher geöffnet wird als das dem zweiten Auslaßkanal (5 a) zugeordnete Aus­ laßventil (5).