WO2005001270A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with at least two groups of cylinders, with at least one exhaust gas turbocharger, with an intake system, an exhaust system with an exhaust line in each group and an exhaust gas recirculation system with at least one exhaust gas recirculation line which branches upstream of the exhaust gas turbine of the exhaust gas turbocharger from the exhaust system
  • an internal combustion engine with two cylinder banks is known, one exhaust pipe leading to the exhaust gas turbocharger per cylinder bank.
  • the exhaust gas turbine is designed with two separate inflow ducts which are shielded from one another in a pressure-tight manner, one inflow duct communicating with an exhaust gas line from which a return line of the exhaust gas recirculation branches off.
  • the second exhaust pipe of the second cylinder bank opens into the other inflow channel.
  • the exhaust gas turbine has a variable turbine geometry for controlling the exhaust gas back pressure. In certain engine operating areas, however, this arrangement does not allow excessively high exhaust gas recirculation rates to be achieved.
  • DE 25 27 871 describes an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, in which an adjustable bypass line connects the pressure side of the compressor to the exhaust system and opens there in a region of low pressure.
  • the bypass line opens into the mixing zone of a pulse converter designed as a vacuum zone. Air is led from the pressure side of the compressor to the turbine of the exhaust gas turbocharger via the bypass line.
  • US Pat. No. 3,786,630 A discloses an internal combustion engine with cylinders arranged in a V-shape, the exhaust gas lines of each row of cylinders opening into an exhaust line.
  • the exhaust gas lines open into a pulse converter upstream of an exhaust gas turbocharger arrangement with two turbo blowers. The efficiency of the exhaust gas turbine arrangement can be increased by this arrangement.
  • an exhaust pipe system for a turbocharged four-stroke internal combustion engine is known, the exhaust pipes of two groups of cylinders each opening into a shock pipe, which are connected to one another via a connecting line with a narrowing cross-section.
  • Each of the two shock lines leads into a gas inlet of an exhaust gas turbine.
  • the object of the invention is to increase the exhaust gas recirculation rates in the simplest possible manner in an internal combustion engine of the type mentioned at the outset.
  • a variable turbine geometry or a bypass valve is provided for controlling the exhaust gas back pressure in front of the preferably single-flow exhaust gas turbine and / or the supercharging pressure generated by it. It is particularly advantageous if a pulse converter is arranged upstream of the exhaust gas turbine in the exhaust system, into which exhaust manifolds of the groups of cylinders open, the exhaust gas recirculation line preferably branching off from the exhaust system upstream of the pulse converter.
  • the pulse converter prevents mutual interference of the pressure pulsations in the individual exhaust manifolds.
  • a check valve opening in the direction of the inlet system is arranged in each exhaust gas recirculation line.
  • the flow path for the recirculated exhaust gas is only released if there is excess pressure in the exhaust system.
  • the exhaust gas is returned to the intake system via at least one Venturi nozzle.
  • the exhaust gas turbine can either be equipped with a variable turbine geometry or with a blow-off valve in order to enable optimal operation with regard to exhaust gas recirculation rate and boost pressure build-up.
  • High exhaust gas recirculation rates can be achieved, in particular, by the pulse converter arranged upstream of the exhaust gas turbine in the exhaust line, since all upstream exhaust manifolds from the groups of cylinders receive the same outflow conditions and a mutual interference of the exhaust gas pressure pulses in the individual exhaust manifolds is avoided by the pulse converter.
  • the exhaust gas turbine can be designed as a simple, inexpensive, single-flow turbine, which keeps the manufacturing expenditure extremely low. Due to the single-flow design with a single blow-off valve (waste gate) or with variable turbine geometry (VTG), the control and regulation expenditure can be kept within limits.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the figure.
  • the figure schematically shows an internal combustion engine 1 according to the invention with an intake system 2, an exhaust system 3 and an exhaust gas recirculation system 4.
  • An exhaust gas turbocharger 5 is provided for charging.
  • the internal combustion engine 1 has two groups 6, 7 of cylinders 19, 20 formed by cylinder banks, the exhaust pipes 8, 9 of which each open into an exhaust manifold 10, 11.
  • the two exhaust lines 10, 11 lead to a pulse converter 12, from which a common exhaust line 13 emerges, to which the single-flow exhaust gas turbine 24 of the exhaust gas turbocharger 5 is connected.
  • An exhaust gas recirculation line 14a, 14b of the exhaust gas recirculation system 4 branches off from each exhaust line 10, 11 and leads to the intake line 15 of the intake system 2 and further to the intake manifold 16, which is connected to the individual cylinders 19, 20 of groups 6, 7 via intake channels 17, 18 is.
  • An exhaust gas recirculation valve 23a, 23b, an exhaust gas recirculation cooler 25a, 25b and a check valve 26a, 26b are arranged in each exhaust gas recirculation line 14a, 14b.
  • the exhaust gas turbine 24 can either be equipped with a variable turbine geometry or with a blow-off valve 22 for blowing the exhaust gas turbine 24 around.
  • the combination of the pulse converter 12 with the exhaust gas turbine 24 equipped with a bypass valve 22 or with a variable turbine geometry means that the exhaust gas recirculation rate can be increased significantly compared to a system without a pulse converter and a double-flow exhaust gas turbine with only one bypass valve, with extremely little manufacturing effort.
  • references used in the subclaims indicate the further development of the subject matter of the skin claim through the features of the respective subclaim; they are not to be understood as a waiver of the achievement of an independent, objective protection for the characteristics of the related subclaims.

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Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine (1) mit zumindest zwei Gruppen (6, 7) von Zylindern (18, 20), mit zumindest einem Abgasturbolader (5), mit einem Einlasssystem (2), einem Auslasssystem (3) mit je einem Auslassstrang jeder Gruppe und einem Abgasrückführsystem (4) mit zumindest einer Abgasrückführleitung (142, 146), welche stromaufwärts der Abgasturbine (24) des Abgasturboladers (5) vom Auslasssystems (3) abzweigt, ist zur Steuerung des Abgasgegendruckes vor der Abgasturbine (24) und/oder des durch sie erzeugten Aufladedruckes im Einlasssystem (2) eine variable Turbinengeometrie oder ein Umblaseventil (22) vorgesehen.

Description

Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Gruppen von Zylindern, mit zumindest einem Abgasturbolader, mit einem Einlasssystem, einem Auslasssystem mit je einem Auslassstrang jeder Gruppe und einem Abgas- rückführsystem mit zumindest einer Abgasrückführleitung, welche stromaufwärts der Abgasturbine des Abgasturboladers vom Auslasssystems abzweigt
Aus der DE 100 48 237 AI ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken bekannt, wobei pro Zylinderbank eine Abgasleitung zum Abgasturbolader führt. Die Abgasturbine ist mit zwei separaten, druckdicht gegeneinander abgeschirmten Einströmkanälen ausgebildet, wobei der eine Einströmkanal mit einer Abgasleitung kommuniziert, von der eine Rückführungsleitung der Abgasrückführung abzweigt. Die zweite Abgasleitung der zweiten Zylinderbank mündet in den anderen Einströmkanal. Zur Steuerung des Abgasgegendruckes weist die Abgasturbine eine variable Turbinengeometrie auf. In bestimmten Motorbetriebsbereichen lassen sich mit dieser Anordnung allerdings nicht allzu hohe Abgasrückführraten erreichen.
Die DE 25 27 871 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, bei der eine regelbare Bypassleitung die Druckseite des Verdichters mit dem Abgassystem verbindet und dort in einem Bereich niedrigen Druckes einmündet. Dabei mündet die Bypassleitung in die als Unterdruckzone ausgebildete Mischzone eines Pulskonverters ein. Über die Bypassleitung wird Luft von der Druckseite des Verdichters vor die Turbine des Abgasturboladers geführt.
Die US 3,786,630 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylindern, wobei die Abgasleitungen jeder Zylinderreihe in jeweils einen Abgasstrang münden. Die Abgasstränge münden in einen einer Abgasturboladeranordnung mit zwei Turbogebläsen vorgeschalteten Pulskonverter ein. Durch diese Anordnung lässt sich der Wirkungsgrad der Abgasturbinenanordnung erhöhen.
Aus der DE 195 39 572 AI ist ein Abgasleitungssystem für eine turboaufgeladene Viertakt-Brennkraftmaschine bekannt, wobei die Abgasleitungen zweier Gruppen von Zylindern jeweils in eine Stoßleitung einmünden, welche miteinander über eine Verbindungsleitung mit Querschnittsverengung verbunden sind. Jede der beiden Stoßleitungen führt in einen Gaseintritt einer Abgasturbine. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile der Stoßaufladung mit den Vorteilen der Pulskonverteraufladung nutzen. Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Abgasrückführraten zu erhöhen.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, dass zur Steuerung des Abgasgegendruckes vor der vorzugsweise einflutigen Abgasturbine und/oder des durch sie erzeugten Aufladedruckes im Einlasssystem eine variable Turbinengeometrie oder ein Umblaseventil vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn stromaufwärts der Abgasturbine im Auslasssystem ein Pulskonverter angeordnet ist, in welchen Abgassammelleitungen der Gruppen von Zylindern einmünden, wobei vorzugsweise die Abgasrückführleitung stromaufwärts des Pulskonverters vom Auslasssystem abzweigt.
Durch den Pulskonverter wird eine gegenseitige Störung der Druckpulsationen in den einzelnen Abgassammelleitungen vermieden.
Besonders hohe Abgasrückführraten lassen sich erreichen, wenn von jeder Abgassammelleitung jeweils eine Abgasrückführleitung stromaufwärts des Pulskonverters abzweigt.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass in jeder Abgasrückführleitung ein in Richtung des Einlasssystems öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist. Dadurch wird der Strömungsweg für das rückgeführte Abgas nur bei Überdruck im Auslasssystem freigegeben. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass das Abgas über zumindest eine Venturidüse in das Einlasssystem rückgeführt wird.
Die Abgasturbine kann entweder mit variabler Turbinengeometrie oder mit einem Umblaseventil ausgestattet sein, um einen hinsichtlich Abgasrückführrate und Ladedruckaufbau optimalen Betrieb zu ermöglichen. Hohe Abgasrückführraten lassen sich insbesondere durch den stromaufwärts der Abgasturbine im Abgasstrang angeordneten Pulskonverter erreichen, da alle stromaufwärts angeschlossenen Abgassammelleitungen von den Gruppen von Zylindern die gleichen Abströmbedingungen erhalten und eine wechselseitige Störung der Abgasdruckpulse in den einzelnen Abgassammelleitungen durch den Pulskonverter vermieden wird. Die Abgasturbine kann auf diese Weise als einfache, kostengünstige, einflutige Turbine ausgeführt sein, was den Fertigungsaufwand äußerst gering hält. Durch die einflutige Ausführung mit einem einzigen Umblaseventil (Waste- Gate), oder mit variabler Turbinengeometrie (VTG), kann der steuerungs- und regeltechnische Aufwand in Grenzen gehalten werden.
Dabei ist es unerheblich, ob das Abgasturbinengehäuse gekühlt oder ungekühlt ausgeführt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem Einlasssystem 2, einem Auslasssystem 3 und einem Abgasrückführsystem 4. Zur Aufladung ist ein Abgasturbolader 5 vorgesehen. Die Brennkraftmaschine 1 weist zwei durch Zylinderbänke gebildete Gruppen 6, 7 von Zylindern 19, 20 auf, deren Abgasleitungen 8, 9 jeweils in eine Abgassammelleitung 10, 11 münden. Die beiden Abgasstränge 10, 11 führen zu einem Pulskonverter 12, von dem eine gemeinsamer Abgasstrang 13 ausgeht, an welchen die einflutig ausgeführte Abgasturbine 24 des Abgasturboladers 5 angeschlossen ist.
Von jedem Abgasstrang 10, 11 zweigt jeweils eine Abgasrückführleitung 14a, 14b des Abgasrückführsystems 4 ab und führt zur Einlassleitung 15 des Einlasssystems 2 und weiter zum Einlasssammler 16, welcher über Einlasskanäle 17, 18 mit den einzelnen Zylindern 19, 20 der Gruppen 6, 7 verbunden ist. In jeder Abgasrückführleitung 14a, 14b ist ein Abgasrückführventil 23a, 23b, ein Abgas- rückführkühler 25a, 25b und ein Rückschlagventil 26a, 26b angeordnet.
Zur Steuerung des Abgasgegendruckes im Abgasstrang 13 und der Verdichterleistung des Verdichterteiles 21 des Abgasturboladers 5 kann die Abgasturbine 24 entweder mit variabler Turbinengeometrie oder mit einem Umblaseventil 22 zum Umblasen der Abgasturbine 24 ausgestattet sein.
Durch die Kombination des Pulskonverters 12 mit der mit Umblaseventil 22 oder mit variabler Turbinengeometrie ausgestatteten Abgasturbine 24 lässt sich mit äußerst geringem Fertigungsaufwand eine wesentliche Erhöhung der Abgasrück- führrate im Vergleich zu einem System ohne Pulskonverter und zweiflutiger Abgasturbine mit nur einem Umblaseventil erreichen.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hautanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen. Die Erfindung ist auch nicht auf das (die) Ausführungsbeispiel(e) der Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Gruppen von Zylindern, mit zumindest einem Abgasturbolader, mit einem Einlasssystem, einem Auslasssystem mit je einem Auslassstrang jeder Gruppe und einem Abgasrückführsys- tem mit zumindest einer Abgasrückführleitung, welche stromaufwärts der Abgasturbine des Abgasturboladers vom Auslasssystems abzweigt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Abgasgegendruckes vor der Abgasturbine und/oder des durch sie erzeugten Aufladedruckes im Einlasssystem eine variable Turbinengeometrie oder ein Umblaseventil vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine einflutig ausgeführt ist.
Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Abgasturbine im Auslasssystem ein Pulskonverter angeordnet ist, in welchen Abgassammelleitungen der Gruppen von Zylindern einmünden.
Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführleitung stromaufwärts des Pulskonverters vom Auslasssystem abzweigt.
Brennkraftmaschine, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass von jeder Abgassammelleitung jeweils eine Abgasrückführleitung stromaufwärts des Pulskonverters abzweigt.
Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Abgasrückführleitung ein in Richtung des Einlasssystems öffnendes Rückschlagventil angeordnet ist.
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