EP1772602A1 - Abgaskrümmer für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgaskrümmer für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine Download PDF

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EP1772602A1
EP1772602A1 EP06018748A EP06018748A EP1772602A1 EP 1772602 A1 EP1772602 A1 EP 1772602A1 EP 06018748 A EP06018748 A EP 06018748A EP 06018748 A EP06018748 A EP 06018748A EP 1772602 A1 EP1772602 A1 EP 1772602A1
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EP
European Patent Office
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exhaust
exhaust manifold
cylinder
internal combustion
combustion engine
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Withdrawn
Application number
EP06018748A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Dr. Tribulowski
Thomas Fahl
Werner Verdoorn
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P7/00—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices

Definitions

  • the invention relates to an exhaust manifold for an 8-cylinder internal combustion engine having the features of the preamble of patent claim 1.
  • the cylinders 1 and 4 supply a first exhaust gas turbocharger with exhaust gas and fill the cylinders 2 and 3 with fresh gas.
  • the cylinders 2 and 3 drive a second exhaust gas turbocharger, which in turn supplies the cylinders 1 and 4 with fresh gas.
  • the cylinders 6 and 7 drive a third exhaust gas turbocharger, with which the cylinders 5 and 8 are supplied with fresh gas.
  • the cylinders 5 and 8 drive a fourth exhaust gas turbocharger, which in turn fills the cylinders 6 and 7 with fresh gas.
  • the 8-cylinder internal combustion engine has symmetrical ignition intervals, ie the individual cylinders are fired one after the other with a firing interval of 90 °.
  • a disadvantage of the described embodiment is that the 8-cylinder internal combustion engine, although due to the symmetrical firing intervals has a good smoothness, but not the maximum power is achieved.
  • Object of the present invention is to show a way to increase performance for a generic internal combustion engine.
  • each partial exhaust manifold is provided for a cylinder group whose firing interval is 180 °.
  • the inventive design of the exhaust manifold the mutual cross-influencing of the exhaust gas mass flows to the charge cycle of another cylinder, as well as the exhaust backpressure in the exhaust line is minimized, whereby the internal combustion engine can deliver more power.
  • this sensor may be an oxygen and / or a NOx sensor.
  • a NOx sensor can also be used to measure the NOx concentration in a cylinder-selective manner.
  • a combined oxygen / NOx sensor is used, to measure both the air ratio and the NOx concentration cylinder-selectively at the same time.
  • the embodiment according to claim 5 ensures shortest exhaust pipe lengths, whereby a most accurate lambda or NOx measurement is possible.
  • the exhaust manifold is an 8-cylinder internal combustion engine with a 90 ° angle between the 4-cylinder cylinder banks.
  • the exhaust manifold according to the invention can also be used at angles other than 90 °.
  • the exhaust manifold which consists of two individual partial exhaust manifolds, is hereby arranged in the hot V of the cylinder banks.
  • An engine longitudinal axis extends like a crankshaft of the internal combustion engine in a direction of travel.
  • Each cylinder bank has 4 cylinders in a row, the cylinders viewed in the direction of travel on the right, starting from the front in the direction of travel with the numbers 1, 2, 3, 4 and the cylinders of the left bank also starting from the front in the direction of travel side numbered 5, 6, 7 and 8.
  • the cylinders 1, 4, 6 and 7 are connected to a first partial exhaust manifold and the cylinders 2, 3, 5 and 8 are connected to a second partial exhaust gas manifold.
  • a firing interval of 180 ° to the next fired cylinder results, whereby the power increase according to the invention is achieved.
  • the partial exhaust manifolds may in turn lead into individual exhaust systems or into a common exhaust system.
  • a sensor preferably an oxygen and / or a NOx sensor is arranged on each Operaabgaskrümmer. Due to the configuration according to the invention, a cylinder-selective lambda measurement (air ratio) or NOx determination (concentration of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas) is advantageously possible. In a further embodiment, a combined oxygen-NOx sensor can be used. The use of other sensors for determining an exhaust gas composition or components thereof is also possible.

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Abstract

Abgaskrümmer für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zündabstand von 90°, bestehend aus zumindest einem ersten und einem zweiten Teilabgaskrümmer, wobei jeder Teilabgaskrümmer für eine Zylindergruppe vorgesehen ist, deren Zündabstand 180° beträgt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Abgaskrümmers wird eine Leistungssteigerung für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Sie geht von der deutschen Patentschrift DE 31 38 369 C1 aus. In dieser ist eine 8-zylindrige Brennkraftmaschine in V-Bauart mit separaten Zylinderbänken beschrieben. Die Zylinder 1 und 4 versorgen einen ersten Abgasturbolader mit Abgas und befüllen die Zylinder 2 und 3 mit Frischgas. Die Zylinder 2 und 3 treiben einen zweiten Abgasturbolader an, der seinerseits wiederum die Zylinder 1 und 4 mit Frischgas versorgt. Die Zylinder 6 und 7 treiben einen dritten Abgasturbolader an, mit denen die Zylinder 5 und 8 mit Frischgas versorgt werden. Die Zylinder 5 und 8 treiben einen vierten Abgasturbolader an, der seinerseits die Zylinder 6 und 7 mit Frischgas befüllt. Weiter weist die 8-zylindrige Brennkraftmaschine symmetrische Zündabstände auf, d. h. die einzelnen Zylinder werden nacheinander mit einem Zündabstand von 90° befeuert.
  • Nachteilig bei der beschriebenen Ausgestaltung ist, dass die 8-zylindrige Brennkraftmaschine aufgrund der symmetrischen Zündabstände zwar eine gute Laufruhe aufweist, jedoch nicht die maximale Leistung erzielt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung für eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass jeder Teilabgaskrümmer für eine Zylindergruppe vorgesehen ist, deren Zündabstand 180° beträgt.
    Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgaskrümmers ist die gegenseitige Querbeeinflussung der Abgasmassenströme auf den Ladungswechsel eines anderen Zylinders, sowie der Abgasgegendruck im Abgasstrang minimiert, wodurch die Brennkraftmaschine eine größere Leistung abgeben kann.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist es möglich, zylinderselektiv Abgasmessungen durchzuführen. Dies ist möglich, da der Zündabstand zwischen den einzelnen Zylindern, deren Abgas in den Teilabgaskrümmer eingeleitet wird, 180° beträgt, so dass ein Standard-Messsensor auch bei höheren Drehzahlen ausreichend Zeit hat, Sensorsignale zu erzeugen, damit eine Abgasanalyse durchgeführt werden kann. Ultra schnelle Messsensoren werden nicht benötigt, wodurch die Herstellkosten für die Brennkraftmaschine gesenkt werden.
  • In einer besonderen Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 kann dieser Sensor ein Sauerstoff- und/oder ein NOx-Sensor sein. Somit ist es möglich, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration bzw. das Luftverhältnis eines jeden einzelnen Zylinders zylinderselektiv zu messen. Insbesondere bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ist dies von Vorteil, da die zylinderselektiv zugemessene Kraftstoffmenge je Zylinder exakt eingeregelt werden kann. Es kann auch ein NOx-Sensor eingesetzt werden, um zylinderselektiv die NOx-Konzentration zu messen. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird ein kombinierter Sauerstoff- / NOx-Sensor eingesetzt, um sowohl das Luftverhältnis als auch die NOx-Konzentration gleichzeitig zylinderselektiv zu messen.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 wird das Übersprechen der einzelnen Abgasmassenströme auf andere Zylinder auf ein Minimum reduziert. Sauerstoff-, bzw. Luftverhältnis- und/oder NOx-Messungen werden somit noch genauer möglich. Darüber hinaus führt diese Ausgestaltung nochmals zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 gewährleistet kürzeste Abgasrohrlängen, wodurch eine genaueste Lambda- bzw. NOx-Messung möglich ist.
  • Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante handelt es sich um eine 8-zylindrige Brennkraftmaschine mit einem 90° Winkel zwischen den 4-zylindrigen Zylinderbänken. Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Abgaskrümmer auch bei anderen Winkeln als 90° einsetzbar. Der Abgaskrümmer, der aus zwei einzelnen Teilabgaskrümmern besteht, ist hierbei im heißen V der Zylinderbänke angeordnet. Eine Brennkraftmaschinenlängsachse erstreckt sich wie eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in einer Fahrtrichtung. Jede Zylinderbank weist 4 Zylinder in Reihe auf, wobei die Zylinder in Fahrtrichtung rechts betrachtet, ausgehend von der in Fahrtrichtung vorne liegenden Seite mit dem Nummern 1, 2, 3, 4 und die Zylinder der linken Bank ebenfalls ausgehend von der in Fahrtrichtung vorne liegenden Seite mit den Nummern 5, 6, 7 und 8 durchnummeriert sind.
  • Die Zylinder 1 bis 8 werden beispielsweise in folgender Reihenfolge befeuert:
    • Zylinder 1 - Zylinder 5 - Zylinder 4 - Zylinder 8 - Zylinder 6 - Zylinder 3 - Zylinder 7 - Zylinder 2,
    wobei der Zündabstand jeweils 90° beträgt. Auch andere Zündfolgen sind möglich. Bei der hier aufgeführten Zündfolge wird eine sog. Komfortanordnung erzielt, d. h. die Brennkraftmaschine ist besonders laufruhig, da bei dieser Zündfolge keine Massenkräfte 2. Ordnung auftreten.
  • Erfindungsgemäß sind die Zylinder 1, 4, 6 und 7 mit einem ersten Teilabgaskrümmer und die Zylinder 2, 3, 5 und 8 mit einem zweiten Teilabgaskrümmer gasführend miteinander verbunden. Somit ergibt sich für jeden an einen Teilabgaskrümmer angeordneten Zylinder ein Zündabstand von jeweils 180° zum nächsten befeuerten Zylinder, wodurch die erfindungsgemäße Leistungssteigerung erzielt wird. Die Teilabgaskrümmer können ihrerseits wiederum in einzelne Abgasanlagen oder in eine gemeinsame Abgasanlage münden.
  • Vier einzelne Krümmerrohre, die einen Teilabgaskrümmer bilden, werden nach einer maximalen Abgas-Lauflänge von 300 mm nach den Zylindern 1, 4, 6 und 7 oder 2, 3, 5 und 8 zusammengeführt und weisen untereinander einen maximalen Längenunterschied von 100 mm auf. Nach der Zusammenführungsstelle der einzelnen Krümmerrohre, ist an jeden Teilabgaskrümmer ein Sensor, vorzugsweise ein Sauerstoff- und/oder ein NOx-Sensor angeordnet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist in vorteilhafter Weise eine zylinderselektive Lambda-Messung (Luftverhältnis) bzw. NOx-Bestimmung (Konzentration der im Abgas enthaltenen Stickoxide) möglich.
    In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein kombinierter Sauerstoff-NOx-Sensor eingesetzt werden. Auch die Verwendung anderer Sensoren zur Bestimmung einer Abgaszusammensetzung oder von Komponenten hiervon ist möglich.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgaskrümmers wird für eine 8-zylindrige Brennkraftmaschine eine erhöhte Leistung erzielt, bei gleichzeitiger zylinderselektiver Messung von Abgasemissionen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit den o. g. maximalen Krümmerrohrlängen ist eine zylinderselektive Bestimmung von Abgaskomponenten bis ca. 4000 1/min. der Brennkraftmaschine möglich.
  • Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile für einen Zündfolgekrümmer mit gleicher Abgasrohrlänge:
    • ➢ Ein sehr genauer Zündabstand von 180° von der zum jeweiligen Krümmer zusammengefassten Zylindergruppe;
    • ➢ Eine identisches Betriebsverhalten aller Zylinder (Absenkung der Klopfempfindlichkeit);
    • ➢ Eine zylinderindividuelle Überwachung und Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit jeweils nur einer einzigen Lambda-Sonde je Teilabgaskrümmer;
    • ➢ Ein zylinderindividueller Injektorabgleich (Kraftstoff-Einspritzventil) ist möglich;
    • ➢ OBD-Funktion (onboard-Diagnose) ist ermöglicht;
    • ➢ Aufgrund der Einsparung von Lambda-Sonden ist eine Kostenreduzierung erzielt;
    • ➢ Ein Injektorabgleich auch bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen ist möglich.

Claims (5)

  1. Abgaskrümmer für eine 8-Zylinder-Brennkraftmaschine mit einem Zündabstand von 90°, bestehend aus zumindest einem ersten und einem zweiten Teilabgaskrümmer, wobei jeder Teilabgaskrümmer für eine Zylindergruppe vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilabgaskrümmer für eine Zylindergruppe vorgesehen ist, deren Zündabstand 180° beträgt.
  2. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1, wobei jeder Teilabgaskrümmer die Abgase der ihm zugeordneten Zylinder an einer Abgas-Zusammenführungsstelle zusammenführt,
    dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilabgaskrümmer in Strömungsrichtung eines Abgases hinter der Abgas-Zusammenführungsstelle einen Abgas-Sensor aufweist.
  3. Abgaskrümmer nach Patentanspruch2,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sauerstoff- und/oder ein NOx-Sensor ist.
  4. Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, wobei jeder Teilabgaskrümmer für jeden ihm zugeordneten Zylinder ein Abgasrohr aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass alle Abgasrohre weitgehend die gleiche Länge aufweisen.
  5. Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei die Brennkraftmaschine eine V-Bauform aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer weitgehend im V der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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