DE69814660T2

DE69814660T2 - Brennkraftmaschine mit turbolader

Info

Publication number: DE69814660T2
Application number: DE69814660T
Authority: DE
Inventors: Lennarth Zander; Ingemar Martinsson; Kent Giselmo
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP2001520346A; EP1021647B1; SE510714C2; EP1021647A1; WO1999019613A1; SE9703679D0; DE69814660D1; US6250079B1; SE9703679L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine turbogeladene Brennkraftmaschine mit mindestens vier Zylindern und einem Abgaskrümmer, der eine Abgasleitung von jedem Zylinder besitzt, wobei die Abgasleitungen in zwei Gruppen kombiniert sind, wobei sich jede der Gruppen in einen einzelnen Einlass zu einem von zwei getrennten Kanälen öffnet, wobei jeder der Kanäle sich in ein Turbinengehäuse öffnet.
Die Technologie des Sammelns der Abgasleitungen in einem Mehrzylinder-Turbomotor in zwei Gruppen und des Aufrechterhaltens der Abgasstromtrennung zwischen zwei Gruppen bis zu dem Turbinenrotor wurde in turbogeladenen Dieselmotoren für ziemlich lange Zeit eingesetzt und wurde zuletzt ebenso auf turbogeladene Vierzylinder-Benzinmotoren angewendet, unter Einsatz von Abgasturbinen des Doppeleingangstyps, die ein Turbinengehäuse mit einem separaten Einlass für jeden von zwei separaten Kanälen in die Turbinengehäusekammer, in welcher der Turbinenrotor rotiert, besitzen, wie in US 4,611,465 offenbart.
Durch Kombinieren der Abgasleitungen von dem ersten und dem vierten Zylinder bzw. von dem zweiten und dem dritten Zylinder wird die Abgasseite des Motors in zwei Zylindergruppen aufgeteilt, was einen optimalen Gasaustausch bereitstellt. Diese Trennung besitzt als Ergebnis, dass kurzschaltende Druckwellen auf der Abgasseite nicht den Gasaustausch stören können, da Zylinder, die mit demselben Turbineneinlass verbunden sind, 360 Kurbelwellengrad voneinander entfernt liegen. Ein normaler Abgasnocken in einer Anzahl von auf dem Markt verfügbaren Vierzylinder-Benzinmotoren besitzt ein Nockenprofil, das das Abgasventil für 240 Nockenwellengrade offen hält, und daher kann die Druckwelle von einem Zylinder nicht den benachbarten Zylinder erreichen. Ein weiterer Vorteil und ein Ergebnis hiervon ist, dass die Druckwelle nur durch die Turbine gehen kann. Dies führt zu einer höheren verfügbaren Turbinenleistung bei niedrigerer Drehzahl und somit auch zu einem höheren Ladedruck und höherem Motordrehmoment bei niedrigeren Drehzahlen als beim Verwenden einer herkömmlichen Einzeleingangsturbine.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Trennung zu einer verminderten Leistung bei hoher Drehzahl führt. Das Druckverhältnis über eine Doppeleingangsturbine variiert stärker als über eine Einzeleingangsturbine während eines Motorarbeitszyklus. Das Druckverhältnis und die Geschwindigkeit, mit welcher der Abgasstrahl den Turbinenrotor trifft, stehen mathematisch in Beziehung, und falls einer ansteigt, steigt der andere ebenfalls an. Das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenrotors und der Geschwindigkeit des Abgasstrahls bestimmt die Turbineneffizienz, und falls das Druckverhältnis zu stark variiert, wird die Effizienzkurve ebenfalls stark variieren, wodurch die mittlere Effizienz vermindert wird. Der Abgasgegendruck wird dann für einen gegebenen Ladedruck ansteigen, und die abrufbare Leistung wird abnehmen, da die Pumparbeit ansteigt. Die höheren Drücke, welche die Trennung während der Ausstoßphase bereitstellt, tragen ebenso zum Erhöhen der Pumparbeit bei.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine turbogeladene Brennkraftmaschine des eingangs beschriebenen Typs bereitzustellen, die bei niedrigen Drehzahlen gute Eigenschaften des Doppeleingangsturbinenmotors besitzt, jedoch die nachteiligen Eigenschaften bei hohen Drehzahlen nicht besitzt.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Tatsache erzielt, dass die Kanäle mit einer Ventilanordnung ausgestattet sind, mit einem Ventilelement, das in eine erste Position gesetzt werden kann, in welcher die Abgasströmung von den zwei Leitungsgruppen getrennt in das Innere deren Turbinengehäuse geleitet werden, und in eine zweite Position gesetzt werden kann, in welcher den Abgasströmen von den Leitungsgruppen erlaubt wird, sich miteinander vor dem Eintreten in das Innere des Turbinengehäuses zu vermischen, so dass ein einzelner gemischter Abgasstrahl von den Leitungsgruppen auf den Turbinenrotor trifft. In der zweiten Position ist die Trennung der Abgasströme in zwei separate Ströme durch einen Kurzschluss zwischen den Kanälen in dem Inneren des Turbinengehäuses unterbrochen, so das ein einzelner gemischter Abgasstrahl von den zwei Krümmergruppen auf den Turbinenrotor trifft. Durch Kurzschließen bei hoher Drehzahl werden die schlechten Eigenschaften der Doppeleingangsturbine bei hohen Drehzahlen beseitigt, und der Motor wird dann bei hohen Drehzahlen als Einzeleingangsturbinenmotor arbeiten.
In einer Weiterentwicklung des Motors gemäß der Erfindung besitzt die Ventilanordnung einen Auslass zu einer Weiche, die sich in einer Abgasleitung auf der stromabwärts gelegenen Seite des Turbinengehäuses öffnet, und das Ventilelement kann in eine dritte Position gesetzt werden, in welcher Abgas von den zwei Abgasleitungsgruppen durch die Weiche zu der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasleitung des Turbinengehäuses strömen kann, das Turbinengehäuse umgehend. Dies stellt eine Ventilanordnung bereit, die sowohl ein Kurzschlussventil als auch Ladedruckregelventil ist.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei 1 schematisch einen Motor gemäß der Erfindung zeigt, und 2 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines kombinierten Kurzschluss/Ladedruckregelventils.
Der in 1 gezeigte Motor, der ein Ottomotor oder ein Dieselmotor sein kann, besitzt vier Zylinder 1, 2, 3 und 4, von denen das Abgas in vier Abgasleitungen 5, 6, 7 und 8 strömt, von denen die Leitungen 5 und 8 bzw. 6 und 7 in Paaren kombiniert sind. Die Leitungspaare 5, 8 bzw. 6, 7 führen jeweils zu einem einzelnen Einlasskanal 9, 10 (siehe 2) in das Innere des Turbinengehäuses 11 eines Turbokompressors, der eine Turbine 1 vom Doppeleingangstyps besitzt, die einen Kompressor 13 antreibt, der Einlassluft in den Motoreinlasskrümmer 14 pumpt. Das Turbinengehäuse 11 besitzt einen Auslass 15, der mit einer Abgasleitung 16 verbunden ist, die zu einem Katalysator 17 führt. Eine Weiche 18 ist zwischen der Einlassseite des Turbinengehäuses 11 und der Abgasleitung 16 auf der Auslassseite des Turbinengehäuses angeordnet. Der Abgasstrom durch die Weiche 18 wird durch eine Ventileinrichtung 20 in dem Turbinengehäuse 11 geregelt, wie ausführlicher in 2 gezeigt.
Wie in 2 zu sehen ist, ist der Einlass des Turbinengehäuses 11 durch eine Trennwand 21 aufgeteilt, so dass zwei Kanäle 9, 10 gebildet sind, die sich in eine Kammer mit einem Turbinenrotor (nicht gezeigt) öffnen. Über einen Abschnitt ihrer Länge ist die Trennwand 21 niedriger als die Seitenwände 22, 23 der Kanäle 9, 10, und ihre obere Fläche 24 bildet einen Sitz für die Endfläche 25 eines Ventilschiebers 26, wie mit durchgezogenen Linien in 2 gezeigt. Die Erstreckung des Ventilschiebers in der Längsrichtung der Kanäle 9, 10 entspricht der Länge des unteren Abschnitts der Trennwand, und dies bedeutet, dass der Ventilschieber in der mit durchgezogenen Linien in 2 gezeigten Position die Kanäle voneinander trennt, so dass der Turbinenrotor von zwei getrennten Abgasstrahlen getroffen wird. Die Turbine arbeitet in dieser Position als Doppeleingangsturbine. Der Ventilschieber 26 ist über eine Ventilspindel 27 mit einem pneumatisch, hydraulisch oder elektromagnetisch betriebenen Aktuator 28 verbunden, der bevorzugt über die Mikroprozessorbasierte Steuerelektronik (nicht gezeigt) des Motors gesteuert ist, die an sich bekannt ist.
Der Ventilschieber 26 ist mit Hilfe des Aktuators 28 von der mit durchgezogenen Linien gezeigten Position in eine mit strichpunktierten Linien gezeigte, untere Position verschiebbar, in welcher Abgase in den zwei Kanälen 9, 10 miteinander vor dem Einlass in die Turbinenrotorkammer gemischt werden können, wie durch Pfeile "a" gezeigt. In dieser Position arbeitet die Turbine als Einzeleingangsturbine. Der Ventilschieber 26 kann in eine dritte Position eingestellt werden, die durch obere strichpunktierte Linien gezeigt ist, in der Abgase von den Kanälen 9, 10 durch die Weiche 18 auf die stromabwärts gelegene Seite der Turbine ausströmen können, wie durch Pfeile "b" gezeigt. In dieser Position arbeitet die Ventilanordnung als Ladedruckregelventil, das durch die Motorsteuerelektronik aktiviert wird, wenn ein maximaler Ladedruck erreicht worden ist.
Durch Integrieren der neuen Kurzschlussfunktion und der herkömmlichen Weichenfunktion in einem einzelnen Ventil sind die Kosten für die Kurzschlussfunktion begrenzt. Ferner wird der Bedarf für zusätzlichen Raum für ein zusätzliches Ventil beseitigt.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschrieben, in der die Kanäle 9, 10 sich in ein gemeinsames Turbinengehäuse öffnen, d. h. das Gehäuse einer Doppeleingangsturbine. In einer weiteren Ausführungsform, die hier nicht gezeigt ist, können sich die Kanäle 9, 10 innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung in einzelne Turbinengehäuse öffnen. Der Motor ist in diesem Fall ein sogenannter Bi-Turbomotor, d. h. er besitzt zwei separate Turbokompressoreinheiten. In einem Bi-Turbomotor mit einer entsprechenden Ventilanordnung 20 zwischen den paarweise kombinierten Leitungen und Einlässen zu den jeweiligen Turbinengehäusen wird dieselbe Funktion wie in dem beschriebenen Motor mit einer Doppeleingangsturbine erzielt.

Claims

Turbogeladene Brennkraftmaschine mit mindestens vier Zylindern (1–4) und einem Abgaskrümmer, der eine Abgasleitung (5–8) von jedem Zylinder besitzt, wobei die Abgasleitungen in zwei Gruppen (5, 8 bzw. 6, 7) kombiniert sind, wobei sich jede der Gruppen in einen einzelnen Einlass zu einem von zwei getrennten Kanälen (9, 10) öffnet, wobei jeder der Kanäle sich in ein Turbinengehäuse (11) öffnet, wobei die Kanäle (9, 10) mit einer Ventilanordnung (20) ausgestattet sind, umfassend ein Ventilelement (26), das in eine erste Position gesetzt werden kann, in welcher die Abgasströme von den zwei Leitungsgruppen (5, 8 bzw. 6, 7) getrennt in das Innere deren Turbinengehäuse geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement in eine zweite Position gesetzt werden kann, in welcher den Abgasströmen von den zwei Leitungsgruppen erlaubt wird, sich miteinander vor dem Eintreten in das Innere des Turbinengehäuses zu vermischen, so dass ein einzelner gemischter Abgasstrahl von den zwei Leitungsgruppen auf den Turbinenrotor trifft.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (9, 10) sich in das Innere zweier voneinander getrennter Turbinengehäuse öffnen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (9, 10) sich in das Innere eines gemeinsamen Turbinengehäuses (11) öffnen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (20) einen Auslass zu einer Weiche (18) besitzt, die sich in einer Abgasleitung (16) auf der stromabwärts gelegenen Seite des Turbinengehäuses (11) öffnet, und dass das Ventilelement (26) in eine dritte Position gesetzt werden kann, in welcher Abgas von den zwei Abgasleitungsgruppen (5, 8 bzw. 6, 7) durch die Weiche zu der stromabwärts gelegenen Seite der Abgasleitung des Turbinengehäuses strömen kann, ohne durch das Turbinengehäuse zu strömen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (20) ein Schiebeventil mit einem linear verschiebbaren Ventilschieber (26) ist, der mit einer Betriebsstange (27) verbunden ist, die durch einen Aktuator (28) verschiebbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass sie vier Zylinder (1–4) besitzt, und dass die Abgasleitungen von dem ersten (1) und dem vierten (4) Zylinder sich in einen Kanal (9) des Turbinengehäuses öffnen, und dass die Abgasleitungen (6, 7) des zweiten (2) und des dritten (3) Zylinders sich in den zweiten Kanal (10) des Turbinengehäuses öffnen.