WO2006015814A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2006015814A1
WO2006015814A1 PCT/EP2005/008521 EP2005008521W WO2006015814A1 WO 2006015814 A1 WO2006015814 A1 WO 2006015814A1 EP 2005008521 W EP2005008521 W EP 2005008521W WO 2006015814 A1 WO2006015814 A1 WO 2006015814A1
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WO
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exhaust gas
internal combustion
combustion engine
exhaust
gas turbocharger
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PCT/EP2005/008521
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Betsch
Jürgen Münzenmaier
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Exhaust gas turbochargers are used both in spark-ignited and self-igniting internal combustion engines to increase the cylinder charge.
  • the increase in the cylinder charge leads in addition to an increase in performance to an increase in the combustion air ratio and thus in self-igniting internal combustion engines to reduce soot formation in the lower and middle load and speed range and may, depending on the combustion temperature, a reduction in nitrogen oxide result.
  • Exhaust gas turbochargers usually consist of two coupled via a fixed shaft turbomachines, a turbine which is acted upon by the expanding exhaust gas mass flow of Brennkraft ⁇ machine and a compressor which is driven via the fixed shaft of the turbine and compressed air sucked. Since turbomachines have a different operating behavior than internal combustion engines, it is the exhaust gas turbocharger and / or its periphery to be designed so that both in the low and in the upper load and speed range for the desired performance of the Internal combustion engine from the exhaust gas turbocharger sufficient air is provided.
  • the exhaust gas turbocharger reacts delayed due to its moment of inertia at a sudden increase in the load and / or speed of the internal combustion engine.
  • This delayed response is known by the common name "turbo lag" and is characterized by the fact that the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine for the corresponding operating point provides too little air.
  • the poor response causes in unsteady operation of the internal combustion engine in addition to insufficient acceleration high fuel consumption, which can be reduced with the elimination of poor responsiveness.
  • the exhaust gas turbocharger designed for the rated power point of the internal combustion engine it is usually designed for a fast response in the lower and middle load and speed range too large and delivers due to its moment of inertia unsatisfactory results of the performance of the internal combustion engine in terms of engine torque, agility and consumption , Different approaches try to improve the response of the exhaust gas turbocharger in said range.
  • the generic document DE 102 09 002 A1 discloses an internal combustion engine with at least one first and one second cylinder bank, wherein the cylinder banks are assigned at least two exhaust gas turbochargers, each with a charge air compressor and an exhaust gas turbine.
  • the two exhaust gas turbochargers are assigned to the corresponding row of cylinders connected in series, wherein the first of the two exhaust gas turbochargers is greater than the second.
  • Each of the exhaust gas turbochargers is assigned a bypass, so that depending on the operation of the internal combustion engine, the smaller exhaust gas turbocharger or the larger exhaust gas turbocharger off, or can be bypassed.
  • the smaller of the two exhaust gas turbochargers on account of the lower mass moment of inertia. Due to the arrangement of the turbocharger, the maximum possible charge is a two-stage charge.
  • the object of the invention is to allocate the exhaust gas turbocharger in a particular arrangement of an internal combustion engine, such that a high performance due to a high boost pressure in each operating point of the internal combustion engine is reached in a short time, taking into account a consumption-optimized and low-pollutant operation of the engine.
  • exhaust gas turbocharger in an internal combustion engine exhaust gas turbocharger are arranged such that a high boost pressure over a wide operating range of the internal combustion engine can be achieved.
  • the internal combustion engine has at least a first and a second exhaust manifold, and a first and a second exhaust gas line.
  • an exhaust gas turbocharger with a turbine is arranged, so that the first exhaust gas line has a first exhaust gas turbocharger with a first turbine and the second exhaust gas line has a second exhaust gas turbocharger with a second turbine.
  • the two exhaust gas lines are downstream of the first and the second turbine of the first and the second exhaust gas turbocharger merge and go after a merger of the first and second exhaust line according to the invention in a common third exhaust line.
  • This third exhaust system is at least one turbine associated with another exhaust gas turbocharger.
  • This turbine arrangement results on a suction side of the internal combustion engine at least a two-stage compression of intake combustion air, with three instead of the previously arranged four exhaust gas turbocharger can be used. With this two-stage compression of the intake combustion air a very high boost pressure can be realized.
  • the first exhaust line to the first exhaust manifold and the second exhaust manifold of the second exhaust line can be assigned.
  • this assignment there is the possibility of a parallel arrangement of the first and the second exhaust gas turbocharger, so that thermodynamic reasons, the first and the second exhaust gas turbocharger are equally large gestaltbar and independently operable.
  • the intake tract is associated with at least a third suction line.
  • a compressor of the further exhaust-gas turbocharger can be arranged independently of the first and the second intake line.
  • a turbine of an additional exhaust gas turbocharger is associated with the third exhaust line, wherein the turbine of the additional exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the merger and upstream of the turbine of the further exhaust gas turbocharger.
  • This arrangement results in a further use of the exhaust gas through the turbine of the additional exhaust gas turbocharger.
  • This arrangement has the further advantage of a simple structural design, since in a parallel arrangement of the turbines, a structurally complex arrangement of exhaust gas lines is necessary.
  • compressors of the additional and the additional exhaust gas turbocharger are arranged in a row such that the compressor of the further exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the compressor of the additional exhaust gas turbocharger.
  • This arrangement allows at least a two-stage compression of the combustion air, taking into account a simple structural design considering the arrangement of the turbine further and the additional exhaust gas turbocharger on the exhaust side. As a result of this arrangement a maximum of three-stage compression of the combustion air can be achieved, whereby a very high boost pressure can be achieved.
  • the compressor of the first and second exhaust gas turbocharger are arranged in parallel, since also the turbines of the first and second exhaust gas turbocharger are arranged in parallel.
  • the turbines are each assigned to an exhaust manifold. Since due to the parallel arrangement of the first and second exhaust gas turbochargers, the turbines of the first and the second exhaust gas turbocharger are acted upon by only a portion of the exhaust gas, the first and the second exhaust gas turbocharger can be constructed relatively small. Due to the relatively small design of the turbocharger a very high exhaust gas turbocharger speed and a very high pressure ratio can be achieved. Since the first and the second exhaust gas turbocharger are executable smaller than the additional and the additional exhaust gas turbocharger, the small exhaust gas turbocharger can be divided into a high pressure stage and the large turbocharger in a low pressure stage.
  • the compressors of the first and second Exhaust gas turbocharger downstream of the compressor of the further exhaust gas turbocharger arranged.
  • the pressure ratio achievable by the compressor of the further exhaust-gas turbocharger is again increased in the downstream compressors of the first or second turbocharger. Since a very high pressure ratio due to their size can be achieved in the compressors of the first and second turbochargers, it is thermodynamically useful to arrange the smaller compressor downstream of the larger compressor.
  • the compressed combustion air is cooled by a charge air cooler to increase the thermodynamic efficiency of the internal combustion engine, which is advantageously positioned at a central location in the intake tract.
  • the central place is a position between one Merging of all intake lines in which a compressor is arranged and a charge air collector.
  • a charge air cooler is arranged such that the compressed in the low-pressure stage combustion air is cooled before the high-pressure compression. This arrangement results in a further increase in the thermodynamic efficiency of the internal combustion engine.
  • a catalyst after the third bypass is arranged for cleaning the exhaust gas even in possibly shut down turbines due to open bypasses.
  • a catalytic converter is arranged downstream of the bypass of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger and upstream of the merger of the exhaust gas lines in the first exhaust gas line in an advantageous further development.
  • a catalytic converter downstream of the bypass of the second turbine of the second exhaust gas turbocharger and upstream of the merger of the exhaust gas lines in the second exhaust line is arranged in an advantageous further development for additional purification of the exhaust gas.
  • the internal combustion engine has at least two cylinder banks, whereby an advantageous compact design of the internal combustion engine can be displayed.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention with turbocharger and
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a mass flow m over a pressure ratio P2 / P1 of the internal combustion engine according to the invention with exhaust gas turbocharger.
  • an internal combustion engine 1 a gasoline engine or a diesel engine, shown for a motor vehicle having an intake 7 and an exhaust tract 6.
  • the intake duct 7, a first intake passage 31 and a second intake passage 32 are assigned.
  • the exhaust gas tract 6 is assigned a first exhaust gas line 20 and a second exhaust gas line 21.
  • the internal combustion engine 1 is associated with a first exhaust gas turbocharger 2a and a second exhaust gas turbocharger 2b.
  • the turbocharger 2a, 2b each comprise a turbine 4a, 4b, which is connected via a rotatable shaft 5a, 5b with a compressor 3a, 3b.
  • the turbine 4a of the first exhaust gas turbocharger 2a is arranged in the first exhaust gas line 20 of the exhaust gas tract 6.
  • the turbine 4b of the second exhaust gas turbocharger 2b is arranged in the second exhaust gas line 21 of the exhaust gas tract 6.
  • the compressor 3a of the first exhaust gas turbocharger 2a is disposed in the intake passage 31 of the intake passage 7.
  • the compressor 3b of the second exhaust gas turbocharger 2b is disposed in the intake passage 32 of the intake passage 7.
  • Exhaust line 20 has a first bypass 56 for bypassing exhaust gas past turbine 4 a.
  • Exhaust line 21 has a second bypass 57 for bypassing exhaust gas past turbine 4b.
  • the turbines 4a and 4b are driven by the exhaust gas of the internal combustion engine 1 and drive via their associated shafts 5a and 5b to the corresponding compressor 3a and 3b, so that can be sucked and compressed from the compressors 3a and 3b combustion air.
  • the internal combustion engine 1 has two cylinder banks 10, 11.
  • the first cylinder bank 10 comprises the cylinders 12, 13 and 14.
  • the second cylinder bank 11 comprises the cylinders 15, 16 and 17.
  • the first cylinder bank 10 is a first exhaust manifold 18 and the second cylinder bank 11 is associated with a second exhaust manifold 19.
  • the exhaust gas lines 20 and 21 merge at a junction 40 downstream of the turbines 4a and 4b into a third exhaust gas line 22 according to the invention of the exhaust gas tract 6 of the internal combustion engine 1.
  • the exhaust line 22 is associated with a turbine 4c of another exhaust gas turbocharger 2c.
  • the intake tract 7 of the internal combustion engine 1 has an air filter 44 for cleaning the intake combustion air. Downstream of the air filter 44, a third intake passage 30 is provided, wherein a compressor 3 c of the further exhaust gas turbocharger 2 c of the third intake passage 30 is assigned. Downstream of the compressor 3 c, the third intake passage 30 merges into a branch 41 into the first intake passage 31 and the second intake passage 32.
  • the first exhaust manifold 18 of the first cylinder bank 10 is the first exhaust line 20 and the second exhaust manifold 19 of the second cylinder bank 11 is associated with the second exhaust line 21.
  • the third exhaust gas line 22 has, in addition to the turbine 4c of the further exhaust gas turbocharger 2c, a turbine 4d of an additional exhaust gas turbocharger 2d, wherein the turbine 4d is arranged downstream of the connection 40 and upstream of the turbine 4c.
  • a compressor 3d of the additional exhaust gas turbocharger 2d is connected downstream of the compressor 3c of the further exhaust gas turbocharger 2c within the third intake line 30.
  • the compressors 3a and 3b of the first and second exhaust gas turbochargers 2a, 2b are arranged in parallel and downstream of the compressor 2c.
  • the first bypass 56 of the first exhaust line 20 of the exhaust tract 6 is associated with a first bypass valve 51, whereby the admission of the turbine 4a is controlled by the exhaust gas.
  • the second bypass 57 of the second exhaust line 21 of the exhaust tract 6, a second bypass valve 52 is assigned, whereby the application of the turbine 4 b is controlled by the exhaust gas.
  • the third exhaust gas line 22 of the exhaust gas tract 6 is assigned a third bypass 58 with a third bypass valve 53. By means of the third bypass valve 53, the admission of the turbine 4c and the turbine 4d is controlled by the exhaust gas.
  • the intake tract 7 of the internal combustion engine 1 is assigned a fourth bypass 55 with a fourth bypass valve 50.
  • the fourth bypass 55 is located downstream of the branch 41 and upstream of the further junction 42. Downstream of the junction 42, the fourth intake passage 33 has a charge air cooler 45 for cooling the compressed combustion air.
  • the fourth intake pipe 33 leads into a charge air collector 46 of the intake tract 7, which is arranged downstream of the intercooler 45.
  • the compressed and cooled combustion air passes from the charge air collector 46 via inlet channels 12a, 13a, 14a, 15a, 16a and 17a into the cylinders 12, 13, 14, 15, 16 and 17.
  • another intercooler not shown in detail the third intake pipe 30 downstream of the compressor 3d of the additional exhaust gas turbocharger 2d and upstream of the branch 41, whereby the thermodynamic efficiency of the internal combustion engine 1 can be increased.
  • the further intercooler not shown in detail is arranged downstream of the compressor 3 c and upstream of the branch 41.
  • the third exhaust-gas line 22 Downstream of the turbine 4c of the further exhaust-gas turbocharger and downstream of the third bypass 58, the third exhaust-gas line 22 is assigned a catalytic converter 25 for exhaust-gas aftertreatment.
  • a catalytic converter 25 for exhaust-gas aftertreatment.
  • catalysts within the first and second exhaust lines 20 and 21 upstream of the junction 40 and downstream of the bypasses 56 and 57 are also conceivable, so that the exhaust gas in these two catalysts is already subjected to a first purification.
  • the bypass valves 51, 52 and 53 can take three main divisions, which are independently controllable. In the first main position, the corresponding bypass valve 51, 52, 53 is closed. In this case, the exhaust gas is completely guided through the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d, in this way that the corresponding compressor 3a, 3b, 3c, 3d sucks and compacts.
  • the corresponding bypass valve 51, 52, 53 is partially open.
  • the exhaust gas is partially guided through the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d and partially passed to the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d over.
  • the application of the exhaust gas of the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d is less due to the reduced proportion of exhaust gas than in the first main position of the bypass valve 51, 52, 53. Accordingly, an exhaust gas turbocharger rotational speed of the exhaust gas turbocharger 2a, 2b, 2c, 2d.
  • the corresponding bypass valve 51, 52, 53 is fully open.
  • the exhaust gas is passed completely past the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d, such that the corresponding turbine 4a, 4b, 4c, 4d is not acted upon by the exhaust gas.
  • the corresponding exhaust gas turbocharger 2a, 2b, 2c, 2d is thus out of operation.
  • the air sucked in by the compressor 3c combustion air is cleaned in the air filter 44 and compressed in the compressor 3c of a pressure Po to a pressure p ⁇ c.
  • the compressor 3c downstream compressor 3d compresses the combustion air from the pressure p ic to a pressure p ld .
  • the combustion air sucked in by the compressor 3a is compressed by the compressor 3a from the pressure pm to a pressure p ia .
  • the combustion air sucked in by the compressor 3b is compressed by the compressor 3b from the pressure pm to a pressure pi b .
  • the combustion air of the intake passages 31 and 32 is mixed, so that the combustion air guided in the intake passage 33 has a pressure p 2 .
  • the combustion air with the pressure p 2 via intake ports 12a, 13a, 14a, 15a, 16a and 17a into the cylinders 12, 13, 14, 15, 16 and 17th
  • the fourth bypass valve 50 in the bypass 55 which is arranged between the branch 41 and the mouth 42, the guidance of the combustion air can be regulated.
  • the fourth bypass valve may occupy three main positions corresponding to the first, second and third bypass valves 51, 52, 53.
  • the operating points of the internal combustion engine 1 can be controlled. So is true for the opened bypass valve 53 in the bypass 58 in that the two exhaust-gas turbocharger 2c and 2d are out of operation and the sucked by the compressors 3a and 3b the combustion air to the pressure p 0 by the two compressor 3c and 3d flows.
  • the combustion air of the two intake pipes 31 and 32 mixes so that the combustion air in the charge air accumulator has a pressure P 2 , g esc h.
  • the pressure P2, gesc h is the maximum possible pressure of the internal combustion engine 1 according to the invention.
  • bypass valve 53 is opened, the bypass valve 50 partially opened in the bypass 55 and the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57 are closed, a first and a second part of the combustion air is distributed almost uniformly at the pressure p 0 the two intake pipes 31 and 32.
  • a third part of the combustion air is passed through the bypass 55 due to the open bypass valve 50.
  • the first part of the combustion air is in the compressor 3a to the pressure p ia compressed and the second part of the combustion air is compressed in the compressor 3b to the pressure p xb .
  • the combustion air of the two intake pipes 31 and 32 and of the bypass 55 mixes so that the combustion air in the charge air accumulator has a pressure P 2 , o ff_2.
  • the pressure p 2> O ff_2 is smaller than the pressure p 2 , Off _i- About the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57, the pressure P2, off_2 adjustable, it being true that the pressure p 2 , off_2 is getting smaller, the farther the bypass valves 51 and 52 are opened.
  • the bypass valves 51 and 52 are fully opened, the combustion air is drawn in by the cylinders 12, 13, 14, 15, 16 and 17 at a pressure p 0 since all four exhaust gas turbochargers 2 a, 2 b, 2 c, 2 d are out of operation.
  • bypass valve 53 Assuming that the bypass valve 53 is opened and the bypass valve 50 is also opened, the combustion air with the pressure p 0 is passed through the compressors 3c and 3d. Since the bypass valve 50 is opened, the combustion air is passed past the compressors 3a and 3b, so that the combustion air in the charge air collector 46 has almost the pressure p 0 . In this case, the bypass valves 51 and 52 of the turbines 4a and 4b should be closed, otherwise an uncontrolled delivery of the compressor 3a and 3b could occur due to the rotating exhaust gas turbocharger 2a and 2b.
  • bypass valve 53 is closed, the bypass valve 50 in the bypass 55 partially open and the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57 are closed, a first and a second part of the combustion air with the pressure pi d Allocate almost equally to the two intake pipes 31 and 32.
  • a third part of the combustion air is passed through the bypass 55 due to the opened bypass valve and has the pressure pi d .
  • the first part of the combustion air from the compressor 3a is compressed from the pressure pid to the pressure p la .
  • Combustion air is compressed by the compressor 3b from the pressure pi d to the pressure pi b .
  • the combustion air of the two intake pipes 31 and 32 and of the bypass 55 mixes, so that the combustion air in the charge air accumulator has a pressure P2, mar_i. Since a portion of the combustion air is passed through the bypass 55, the pressure P2, g esch_i is smaller than the pressure P 2 , mar - via the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57, the pressure P2, mar_i regulated.
  • the pressure P 2 , mar l is getting smaller, the farther the bypass valves 51 and 52 are opened. If the bypass valves 51 and 52 are completely open, the combustion air in the charge air collector has the pressure pid, since the exhaust gas turbochargers 2a and 2b are now out of operation.
  • bypass valve 53 Assuming that the bypass valve 53 is closed and the bypass valve 50 is opened, the combustion air from the compressors 3c and 3d is compressed to the pressure Pia and has the pressure p ld at the branch 41 in the intake tract 7. Due to the opened bypass valve 50, the combustion air is passed past the compressors 3a and 3b, so that the combustion air in the charge air collector 46 has almost the pressure pi d . In this case, the bypass valves 51 and 52 of the turbines 4a and 4b should be closed, otherwise an uncontrolled delivery of the compressor 3a and 3b could occur due to the rotating exhaust gas turbocharger 2a and 2b.
  • the two exhaust gas turbochargers 2c and 2d are in operation at reduced speed and the combustion air taken in by the compressor 3a is compressed in the compressor 3c from the pressure p 0 to a pressure pi C / te ii. Subsequently, the combustion air in the compressor 3b is further compressed to a pressure pid, teii.
  • the pressure Pid, teii is less than the pressure pi d and greater than the pressure p 0 .
  • bypass valve 53 If the bypass valve 53 is partially opened and the bypass valve 50 in the bypass 55 is also partially open and the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57 are closed, a first and a second part of the combustion air with the pressure pi d distributed almost uniformly A third part of the combustion air is passed through the bypass 55 due to the open bypass valve and has the pressure p 1 ( j) .
  • the first part of the combustion air is pressurized by the compressor 3a from the pressure p ld p ia compacted.
  • the second part of the combustion air is compressed by the compressor 3b from the pressure pid to the pressure p xb .
  • the combustion air of the two intake pipes 31 and 32 and the bypass 55 mixes so that the combustion air in the charge air accumulator has a pressure P2, teii_i. Since a portion of the combustion air is passed through the bypass 55, the pressure P2, teii_i is smaller than the pressure P2, tei-- About the bypass valves 51 and 52 of the bypasses 56 and 57, the pressure P2, t eii i is controllable, wherein that the further the bypass valves 51 and 52 are opened, the pressure P2, teii i becomes smaller and smaller. If the bypass valves 51 and 52 are completely open, the combustion air in the charge air collector has the pressure Pi d , te ii, since the exhaust gas turbochargers 2a and 2b are now out of operation.
  • the bypass valve 53 Assuming that the bypass valve 53 is partially opened and the bypass valve 50 is fully opened, the combustion air from the compressors 3c and 3d is pressurized to pi d . te ii compressed and has at the junction 41 in the intake tract 7 the pressure pid.teii on. Due to the opened bypass valve 50, the combustion air is passed past the compressors 3a and 3b, so that the combustion air in the charge air collector 46 has almost the pressure Pi d , te ii. In this case, the bypass valves 51 and 52 of the turbines 4a and 4b should be closed, otherwise uncontrolled promotion of the compressor 3a and 3b due to the rotating exhaust gas turbocharger 2a and 2b is possible.
  • each exhaust gas turbocharger 2a, 2b, 2c, 2d can be switched off individually. If, for example, the Cylinders 12, 13 and 14 for the operation of the internal combustion engine 1 is not required, the exhaust gas turbocharger 2a can be shut down by the bypass valve 51 is opened. If the bypass valve 50 is closed in the intake tract 7, then the combustion air sucked in and compressed by the compressor 3c is compressed again in the compressor 3d and again compressed in the compressor 3b. Since the exhaust gas turbocharger 2 a rests, no combustion air is sucked in and compressed by the compressor 3 a. The same applies to a decommissioning of the exhaust gas turbocharger 2b, in which case the bypass valve 52 is opened. The pressure p 2 in the charge air manifold corresponds to a pressure
  • the internal combustion engine 1 In addition to the V-shaped arrangement of the cylinder banks is also an arrangement of the cylinder side by side, that is arranged in a row, conceivable.
  • the internal combustion engine 1 then has, after the cylinders 12, 13, 14, 15, 16, 17, at least two exhaust manifolds or a double-flow exhaust manifold, so that each exhaust manifold or each flood of the twin-flow exhaust manifold is assigned to each exhaust line.
  • a parallel arrangement of the first and the second exhaust gas turbocharger is possible. Since this separation of the first and the second exhaust gas turbocharger are small executable, the design of the exhaust gas turbocharger can be realized according to a high-pressure stage. This high-pressure stage only allows a very high boost pressure p 2 .
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of a mass flow m over a pressure ratio P2 / P1.
  • the course of the mass flow m of the internal combustion engine 1 according to the invention is represented by the solid line a.
  • a dashed line b shows an exhaust gas turbocharger combination according to a Registeraufladung.
  • a dotted line c shows an exhaust gas turbocharger combination corresponding to a two-stage charge.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugtrakt (7), der mindestens eine erste Ansaugleitung (31) und eine zweite Ansaugleitung (32) aufweist, mit einem Abgastrakt (6), der mindestens einen ersten Abgasstrang (20) und einen zweiten Abgasstrang (21) aufweist, mit mindestens zwei Abgasturboladern (2a, 2b), die jeweils eine Turbine (4a, 4b) und einen über eine drehfeste Welle (5a, 5b) mit der Turbine (4a, 4b) verbundenen Verdichter (3a, 3b) aufweisen, welcher in der Ansaugleitung (31, 32) angeordnet ist, wobei dem ersten Abgasstrang (20) mindestens die Turbine (4a) des ersten Abgasturboladers (2a) und dem zweiten Abgasstrang (21) mindestens die Turbine (4b) des zweiten Abgasturboladers (2b) zugeordnet ist, mit mindestens zwei Bypässen (56, 57) zur Umleitung von Abgas und/oder Verbrennungsluft und mit mindestens einem ersten Abgaskrümmer (18) und einem zweiten Abgaskrümmer (19).

Description

Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Abgasturbolader werden sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Zylinderladung eingesetzt. Die Erhöhung der Zylinderladung führt neben einer Leistungssteigerung zu einer Steigerung des Verbrennungsluftverhältnisses und damit bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zu einer Reduzierung der Rußbildung im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich und kann, je nach Verbrennungstemperatur, eine Reduzierung der Stickoxidemission zur Folge haben.
Abgasturbolader bestehen in der Regel aus zwei über eine feste Welle gekoppelte Strömungsmaschinen, einer Turbine, die über den expandierenden Abgasmassenstrom der Brennkraft¬ maschine beaufschlagt wird und einem Verdichter, der über die feste Welle von der Turbine angetrieben wird und angesaugte Luft komprimiert. Da Strömungsmaschinen ein anderes Betriebsverhalten als Brennkraftmaschinen aufweisen, gilt es den Abgasturbolader und/oder seine Peripherie so zu gestalten, dass sowohl im niedrigen als auch im oberen Last- und Drehzahlbereich für das gewünschte Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vom Abgasturbolader genügend Luft zur Verfügung gestellt wird.
Der Abgasturbolader reagiert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes bei plötzlicher Steigerung der Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine verzögert . Dieses verzögerte Ansprechverhalten ist unter dem geläufigen Namen „Turboloch" bekannt und zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine für den entsprechenden Betriebspunkt zu wenig Luft zur Verfügung stellt. Das schlechte Ansprechverhalten bewirkt im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine neben einer ungenügenden Beschleunigung einen hohen Kraftstoffverbrauch, der mit der Beseitigung des schlechten Ansprechverhaltens reduziert werden kann.
Wird der Abgasturbolader für den Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt, so ist er in der Regel für ein schnelles Ansprechen im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich zu groß ausgelegt und liefert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes unbefriedigende Ergebnisse des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine hinsichtlich Motor- Drehmoment, Agilität und Verbrauch. Unterschiedliche Ansätze versuchen das Ansprechverhalten des Abgasturboladers im genannten Bereich zu verbessern.
Aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 102 09 002 Al geht eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe hervor, wobei den Zylinderreihen mindestens zwei Abgasturbolader mit jeweils einem Ladeluftverdichter und einer Abgasturbine zugeordnet sind. Die zwei Abgasturbolader sind der entsprechenden Zylinderreihe in Reihe geschaltet zugeordnet, wobei der erste der beiden Abgasturbolader größer ist als der zweite. Den Abgasturboladern ist jeweils ein Bypass zugeordnet, so dass sich je nach Betrieb der Brennkraftmaschine der kleinere Abgasturbolader oder der größere Abgasturbolader abschalten, beziehungsweise umgehen lässt . Im unteren Drehzahlbereich und/oder Lastbereich der Brennkraftmaschine ist aufgrund des geringeren Massenträgheitsmomentes bevorzugterweise der kleinere der beiden Abgasturbolader einzusetzen. Aufgrund der Anordnung der Abgasturbolader ist die maximal möglich Aufladung eine zweistufige Aufladung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es Abgasturbolader in einer bestimmten Anordnung einer Brennkraftmaschine zuzuordnen, derart, dass eine hohe Leistung aufgrund eines hohen Ladedruckes in möglichst jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in kurzer Zeit erreichbar ist, unter Beachtung eines verbrauchsoptimierten und Schadstoffarmen Betriebs der Brennkraftmaschine.
Erfindungsgemäß werden bei einer Brennkraftmaschine Abgasturbolader derart angeordnet, dass ein hoher Ladedruck über einem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine erreichbar ist. Die Brennkraftmaschine weist mindestens einen ersten und einen zweiten Abgaskrümmer, sowie einen ersten und einen zweiten Abgasstrang auf. In jedem Abgasstrang ist ein Abgasturbolader mit einer Turbine angeordnet, so dass der erste Abgasstrang einen ersten Abgasturbolader mit einer ersten Turbine und der zweite Abgasstrang einen zweiten Abgasturbolader mit einer zweiten Turbine aufweist . Die beiden Abgasstränge sind stromab der ersten beziehungsweise der zweiten Turbine des ersten und des zweiten Abgasturbolader zusammenführbar und gehen nach einer Zusammenführung des ersten und des zweiten Abgasstranges erfindungsgemäß in einen gemeinsamen dritten Abgasstrang über. Diesem dritten Abgasstrang ist mindestens eine Turbine eines weiteren Abgasturboladers zugeordnet . Infolge dieser Turbinenanordnung ergibt sich auf einer Ansaugseite der Brennkraftmaschine mindestens eine zweistufige Verdichtung angesaugter Verbrennungsluft, wobei drei anstelle der bisher angeordneten vier Abgasturbolader einsetzbar sind. Mit dieser zweistufigen Verdichtung der angesaugten Verbrennungsluft ist ein sehr hoher Ladedruck realisierbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist dem ersten Abgaskrümmer der erste Abgasstrang und dem zweiten Abgaskrümmer der zweite Abgasstrang zuordenbar. Infolge dieser Zuordnung besteht die Möglichkeit einer parallelen Anordnung des ersten und des zweiten Abgasturboladers, so dass aus thermodynamisehen Gründen der erste und der zweite Abgasturbolader gleich groß gestaltbar sowie voneinander unabhängig betreibbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist dem Ansaugtrakt mindestens eine dritte Ansaugleitung zugeordnet . Infolge dieser Zuordnung ist ein Verdichter des weiteren Abgasturboladers unabhängig von der ersten und der zweiten Ansaugleitung anordenbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist dem dritten Abgasstrang eine Turbine eines zusätzlichen Abgasturboladers zugeordnet, wobei die Turbine des zusätzlichen Abgasturbolader stromab der Zusammenführung und stromauf der Turbine des weiteren Abgasturboladers angeordnet ist. Infolge dieser Anordnung ergibt sich eine weitere Nutzung des Abgases durch die Turbine des zusätzlichen Abgasturboladers. Diese Anordnung hat den weiteren Vorteil einer einfachen konstruktiven Bauweise, da bei einer parallelen Anordnung der Turbinen eine konstruktiv aufwendige Anordnung an abgasführenden Leitungen notwendig ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind Verdichter des weiteren und des zusätzlichen Abgasturboladers in einer Reihe derart angeordnet, dass der Verdichter des weiteren Abgasturboladers stromauf des Verdichters des zusätzlichen Abgasturboladers angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht mindestens eine zweistufige Kompression der Verbrennungsluft unter Berücksichtigung einer einfachen konstruktiven Bauweise unter Betrachtung der Anordnung der Turbinen des weiteren sowie des zusätzlichen Abgasturboladers auf der Abgasseite. Infolge dieser Anordnung ist maximal eine dreistufige Kompression der Verbrennungsluft erreichbar, wodurch ein sehr hoher Ladedruck erzielbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 6 sind die Verdichter des ersten und des zweiten Abgasturboladers parallel angeordnet, da ebenfalls die Turbinen des ersten beziehungsweise zweiten Abgasturboladers parallel angeordnet sind. Die Turbinen sind je einem Abgaskrümmer zugeordnet. Da aufgrund der parallelen Anordnung des ersten und zweiten Abgasturboladers die Turbinen des ersten beziehungsweise des zweiten Abgasturboladers von nur einem Teil des Abgases beaufschlagt werden, können der erste beziehungsweise der zweite Abgasturbolader relativ klein gebaut sein. Aufgrund der relativ kleinen Bauweise der Abgasturbolader sind eine sehr hohe Abgasturboladerdrehzahl und ein sehr hohes Druckverhältnis erreichbar. Da der erste und der zweite Abgasturbolader kleiner ausführbar sind als der weitere und der zusätzliche Abgasturbolader, können die kleinen Abgasturbolader in eine Hochdruckstufe und die großen Abgasturbolader in eine Niederdruckstufe eingeteilt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 sind die Verdichter des ersten und des zweiten Abgasturboladers stromab des Verdichters des weiteren Abgasturboladers angeordnet. Das vom Verdichter des weiteren Abgasturboladers erreichbare Druckverhältnis wird in den nachgeschalteten Verdichtern des ersten beziehungsweise zweiten Turboladers nochmals erhöht. Da in den Verdichtern des ersten und des zweiten Abgasturboladers ein sehr hohes Druckverhältnis aufgrund ihrer Größe erzielbar ist, ist es thermodynamisch sinnvoll die kleineren Verdichter stromab der größeren Verdichter anzuordnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 sind im Abgastrakt ein erster Bypass mit einem ersten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des ersten Abgasturboladers, ein zweiter Bypass mit einem zweiten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des zweiten Abgasturboladers und ein dritter Bypass mit einem dritten Bypassventil zur Umgehung der Turbine des weiteren und des zusätzlichen Abgasturboladers angeordnet. Durch die Umgehungen der Turbinen sind die entsprechenden Abgasturbolader außer Betrieb zu setzen. Damit ein sinnvoller Betrieb der Abgasturbolader bei entsprechender Schaltung der Bypassventile möglich ist, ist in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine ein vierter Bypass mit einem vierten Bypassventil zur Umgehung des ersten und/oder zweiten Abgasturboladers nach dem Verdichter des vierten Abgasturboladers und vor den Verdichtern des ersten und zweiten Abgasturboladers angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird die verdichtete Verbrennungsluft durch einen Ladeluftkühler zur Steigerung des thermodynamisehen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine gekühlt, der vorteilhafterweise an einer zentralen Stelle im Ansaugtrakt positioniert ist. Die zentrale Stelle ist eine Position zwischen einer Zusammenführung aller Ansaugleitungen in denen ein Verdichter angeordnet ist und einem Ladeluftsammler.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 ist ein Ladeluftkühler derart angeordnet, dass die in der Niederdruckstufe verdichtete Verbrennungsluft vor der Hochdruckverdichtung gekühlt wird. Diese Anordnung ergibt eine weitere Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 11 ist zur Reinigung des Abgases auch bei eventuell stillgelegten Turbinen infolge geöffneter Bypässe ein Katalysator nach dem dritten Bypass angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 ist in einer vorteilhaften Weiterentwicklung zur zusätzlichen Reinigung des Abgases ein Katalysator stromab des Bypasses der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers und stromauf der Zusammenführung der Abgasstränge im ersten Abgasstrang angeordnet .
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist in einer vorteilhaften Weiterentwicklung zur zusätzlichen Reinigung des Abgases ein Katalysator stromab des Bypasses der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers und stromauf der Zusammenführung der Abgasstränge im zweiten Abgasstrang angeordnet .
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung nach Anspruch 14 weist die Brennkraftmaschine mindestens zwei Zylinderbänke auf, wodurch eine vorteilhafte kompakte Bauweise der Brennkraftmaschine darstellbar ist. Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und
Fig. 2 ein schematisiertes Diagramm eines Massenstromes m über einem Druckverhältnis P2/P1 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader.
In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1, ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug dargestellt, welche einen Ansaugtrakt 7 und einen Abgastrakt 6 aufweist. Dem Ansaugtrakt 7 sind eine erste Ansaugleitung 31 und eine zweite Ansaugleitung 32 zugeordnet. Dem Abgastrakt 6 ist ein erster Abgasstrang 20 und ein zweiter Abgasstrang 21 zugeordnet. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein erster Abgasturbolader 2a und ein zweiter Abgasturbolader 2b zugeordnet. Die Abgasturbolader 2a, 2b umfassen je eine Turbine 4a, 4b, welche über eine drehfeste Welle 5a, 5b mit einem Verdichter 3a, 3b verbunden ist. Die Turbine 4a des ersten Abgasturboladers 2a ist im ersten Abgasstrang 20 des Abgastrakts 6 angeordnet. Die Turbine 4b des zweiten Abgasturboladers 2b ist im zweiten Abgasstrang 21 des Abgastrakts 6 angeordnet. Der Verdichter 3a des ersten Abgasturboladers 2a ist in der Ansaugleitung 31 des Ansaugtrakts 7 angeordnet. Der Verdichter 3b des zweiten Abgasturboladers 2b ist in der Ansaugleitung 32 des Ansaugtrakts 7 angeordnet. Der Abgasstrang 20 weist einen ersten Bypass 56 zur Umleitung von Abgas an der Turbine 4a vorbei auf. Der Abgasstrang 21 weist einen zweiten Bypass 57 zur Umleitung von Abgas an der Turbine 4b vorbei auf. Die Turbinen 4a und 4b werden vom Abgas der Brennkraftmaschine 1 angetrieben und treiben über die ihnen zugeordneten Wellen 5a beziehungsweise 5b die entsprechenden Verdichter 3a beziehungsweise 3b an, so dass von den Verdichtern 3a und 3b Verbrennungsluft angesaugt und verdichtet werden kann.
Die Brennkraftmaschine 1 weist zwei Zylinderbänke 10, 11 auf. Die erste Zylinderbank 10 umfasst die Zylinder 12, 13 und 14. Die zweite Zylinderbank 11 umfasst die Zylinder 15, 16 und 17. Der ersten Zylinderbank 10 ist ein erster Abgaskrümmer 18 und der zweiten Zylinderbank 11 ist ein zweiter Abgaskrümmer 19 zugeordnet.
Die Abgasstränge 20 und 21 gehen an einer Zusammenführung 40 stromab der Turbinen 4a und 4b in einen erfindungsgemäßen dritte Abgasstrang 22 des Abgastraktes 6 der Brennkraftmaschine 1 über. Dem Abgasstrang 22 ist eine Turbine 4c eines weiteren Abgasturboladers 2c zugeordnet.
Der Ansaugtrakt 7 der Brennkraftmaschine 1 weist einen Luftfilter 44 zum Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft auf. Stromab des Luftfilters 44 ist eine dritte Ansaugleitung 30 vorgesehen, wobei ein Verdichter 3c des weiteren Abgasturboladers 2c der dritten Ansaugleitung 30 zugeordnet ist. Stromab des Verdichters 3c geht die dritte Ansaugleitung 30 an einer Verzweigung 41 in die erste Ansaugleitung 31 und die zweite Ansaugleitung 32 über.
Der erste Abgaskrümmer 18 der ersten Zylinderbank 10 ist dem ersten Abgasstrang 20 und der zweite Abgaskrümmer 19 der zweiten Zylinderbank 11 ist dem zweiten Abgasstrang 21 zugeordnet . Der dritte Abgasstrang 22 weist neben der Turbine 4c des weiteren Abgasturboladers 2c eine Turbine 4d eines zusätzlichen Abgasturboladers 2d auf, wobei die Turbine 4d stromab der Zusammenführung 40 und stromauf der Turbine 4c angeordnet ist. Ein Verdichter 3d des zusätzlichen Abgasturboladers 2d ist dem Verdichter 3c des weiteren Abgasturboladers 2c innerhalb der dritten Ansaugleitung 30 nachgeschaltet.
Die Verdichter 3a und 3b des ersten beziehungsweise des zweiten Abgasturboladers 2a, 2b sind parallel und stromab des Verdichters 2c angeordnet.
Dem ersten Bypass 56 des ersten Abgasstrangs 20 des Abgastrakts 6 ist ein erstes Bypassventil 51 zugeordnet, womit die Beaufschlagung der Turbine 4a durch das Abgas regelbar ist. Ebenfalls ist dem zweiten Bypass 57 des zweiten Abgasstrangs 21 des Abgastrakts 6 ein zweites Bypassventil 52 zugeordnet, womit die Beaufschlagung der Turbine 4b durch das Abgas regelbar ist. Des Weiteren ist dem dritten Abgasstrang 22 des Abgastrakts 6 ein dritter Bypass 58 mit einem dritten Bypassventil 53 zugeordnet. Mittels des dritten Bypassventils 53 ist die Beaufschlagung der Turbine 4c und der Turbine 4d durch das Abgas regelbar.
Die erste Ansaugleitung 31 des Ansaugtrakts 7 und die zweite Ansaugleitung 32 des Ansaugtrakts 7 gehen stromab der ihnen zugeordneten Verdichter 3a und 3b an einer weiteren Zusammenführung 42 im Ansaugtrakt 7 in eine vierte Ansaugleitung 33 im Ansaugtrakt 7 über. Zur Ladedruckregelung ist dem Ansaugtrakt 7 der Brennkraftmaschine 1 ein vierter Bypass 55 mit einem vierten Bypassventil 50 zugeordnet. Der vierte Bypass 55 ist stromab der Verzweigung 41 und stromauf der weiteren Zusammenführung 42 angeordnet. Stromab der Zusammenführung 42 weist die vierte Ansaugleitung 33 einen Ladeluftkühler 45 zum Kühlen der komprimierten Verbrennungsluft auf. Die vierte Ansaugleitung 33 mündet in einen Ladeluftsammler 46 des Ansaugtrakts 7, welcher stromab des Ladeluftkühlers 45.angeordnet ist. Die verdichtete und gekühlte Verbrennungsluft gelangt vom Ladeluftsammler 46 ausgehend über Einlasskanäle 12a, 13a, 14a, 15a, 16a und 17a in die Zylinder 12, 13, 14, 15, 16 und 17. Denkbar ist auch eine Anordnung eines weiteren nicht näher dargestellten Ladeluftkühlers in der dritten Ansaugleitung 30 stromab des Verdichters 3d des zusätzlichen Abgasturboladers 2d und stromauf der Verzweigung 41, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 gesteigert werden kann. Für den Fall, dass auf den vierten Abgasturbolader 2d verzichtet wird, ist der weitere nicht näher dargestellte Ladeluftkühler stromab des Verdichters 3c und stromauf der Verzweigung 41 angeordnet.
Stromab der Turbine 4c des weiteren Abgasturboladers und stromab des dritten Bypasses 58 ist der dritten Abgasleitung 22 ein Katalysator 25 zur Abgasnachbehandlung zugeordnet. Neben dem Katalysator 25 sind beispielsweise auch Katalysatoren innerhalb des ersten und des zweiten Abgasstranges 20 und 21 stromauf der Zusammenführung 40 und stromab der Bypässe 56 beziehungsweise 57 denkbar, so dass das Abgas in diesen beiden Katalysatoren schon einer ersten Reinigung unterzogen wird.
Die Bypassventile 51, 52 und 53 können drei Hauptsteilungen einnehmen, die unabhängig voneinander regelbar sind. In der ersten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 geschlossen. Dabei wird das Abgas vollständig durch die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d geführt, derart, dass der entsprechende Verdichter 3a, 3b, 3c, 3d ansaugt und verdichtet.
In der zweiten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 teilweise geöffnet. Dabei wird das Abgas teilweise durch die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d geführt und teilweise an der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d vorbei geleitet wird. Die Beaufschlagung durch das Abgas der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d fällt aufgrund des reduzierten Anteils an Abgas geringer aus als bei der ersten Hauptstellung des Bypassventils 51, 52, 53. Dementsprechend niedriger ist eine Abgasturboladerdrehzahl der Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d.
In der dritten Hauptstellung ist das entsprechende Bypassventil 51, 52, 53 vollständig geöffnet. Dabei wird das Abgas vollständig an der entsprechenden Turbine 4a, 4b, 4c, 4d vorbei geleitet, derart, dass die entsprechende Turbine 4a, 4b, 4c, 4d nicht vom Abgas beaufschlagt wird. Der entsprechende Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d ist somit außer Betrieb.
Die vom Verdichter 3c angesaugte Verbrennungsluft wird im Luftfilter 44 gereinigt und im Verdichter 3c von einem Druck Po auf einen Druck pχc komprimiert. Der dem Verdichter 3c nachgeschaltete Verdichter 3d komprimiert die Verbrennungsluft von dem Druck pic auf einen Druck pld.
Die vom Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird vom Verdichter 3a von dem Druck pm auf einen Druck pia komprimiert. Die vom Verdichter 3b angesaugte Verbrennungsluft wird vom Verdichter 3b von dem Druck pm auf einen Druck pib komprimiert. In der vierten Ansaugleitung 33 wird die Verbrennungsluft der Ansaugleitungen 31 und 32 vermischt, so dass die in der Ansaugleitung 33 geführte Verbrennungsluft einen Druck p2 aufweist. Über den Ladeluftkühler 45 und den Ladeluftsammler 46 gelangt die Verbrennungsluft mit dem Druck p2 über Ansaugkanäle 12a, 13a, 14a, 15a, 16a und 17a in die Zylinder 12, 13, 14, 15, 16 und 17.
Über das vierte Bypassventil 50 im Bypass 55, welches zwischen der Verzweigung 41 und der Mündung 42 angeordnet ist, kann die Führung der Verbrennungsluft geregelt werden. Das vierte Bypassventil kann entsprechend dem ersten, zweiten und dritten Bypassventil 51, 52, 53 drei Hauptstellungen einnehmen.
Über die Bypässe 55, 56, 57 und 58 und die Bypassventile 50, 51, 52 und 53 sind die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 1 regelbar. So gilt für das geöffnete Bypassventil 53 in dem Bypass 58, dass die beiden Abgasturbolader 2c und 2d außer Betrieb sind und die von den Verdichtern 3a und 3b angesaugte Verbrennungsluft mit dem Druck p0 durch die beiden Verdichter 3c und 3d strömt.
Bei geschlossenem Bypassventil 53 im Bypass 58 sind die beiden Abgasturbolader 2c und 2d in Betrieb und die von dem Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird in dem Verdichter 3c von dem Druck p0 auf den Druck pic komprimiert. Anschließend wird die Verbrennungsluft in dem Verdichter 3b auf den Druck Pia komprimiert. Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ebenfalls geschlossen sind, kann sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck pid wird von dem Verdichter 3a auf den Druck pia verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck pid wird von dem Verdichter 3b auf den Druck pib verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck P2,gesch aufweist. Der Druck P2,gesch ist der maximal mögliche Druck der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet ist und das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, verteilt sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p0 wird von dem Verdichter 3a auf den Druck pla verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p0 wird von dem Verdichter 3b auf den Druck pib verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 einen Druck P2,off i aufweist. Da die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d nicht verdichtet wird, ist der Druck p2,Off_i kleiner als der Druck p2,gesch.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet, das Bypassventil 50 im Bypass 55 teilweise geöffnet und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, verteilt sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p0 nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 geleitet. Der erste Teil der Verbrennungsluft wird im Verdichter 3a auf den Druck pia verdichtet und der zweite Teil der Verbrennungsluft wird im Verdichter 3b auf den Druck pxb verdichtet . Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 sowie des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck P2,off_2 aufweist. Da die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d nicht verdichtet wird und ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck p2>Off_2 kleiner als der Druck p2,Off_i- Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck P2,off_2 regelbar, wobei gilt, dass der Druck p2,off_2 immer kleiner wird, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Wenn die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet sind, wird von den Zylindern 12, 13, 14, 15, 16 und 17 die Verbrennungsluft mit einem Druck p0 angesaugt, da alle vier Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geöffnet ist und das Bypassventil 50 ebenfalls geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft mit dem Druck p0 durch die Verdichter 3c und 3d geleitet. Da das Bypassventil 50 geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck p0 besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b auftreten könnte.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geschlossen, das Bypassventil 50 im Bypass 55 teilweise geöffnet und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen sind, kann sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck pid nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils geleitet und weist den Druck pid auf. So wird der erste Teil der Verbrennungsluft von dem Verdichter 3a von dem Druck pid auf den Druck pla verdichtet. Der zweite Teil der
Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3b von dem Druck pid auf den Druck pib verdichtet. Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 und des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck P2,gesch_i aufweist. Da ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck P2,gesch_i kleiner als der Druck P2,gesch- Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck P2,gesch_i regelbar. Der Druck P2,gesch l wird immer kleiner, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Sind die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet, so weist die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler den Druck pid auf, da die Abgasturbolader 2a und 2b nun außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 geschlossen und das Bypassventil 50 geöffnet ist, wird die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d auf den Druck Pia verdichtet und weist an der Verzweigung 41 im Ansaugtrakt 7 den Druck pld auf. Aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck pid besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b auftreten könnte. Bei teilweise geöffnetem Bypassventil 53 in dem Bypass 58, sind die beiden Abgasturbolader 2c und 2d mit verminderter Drehzahl in Betrieb und die von dem Verdichter 3a angesaugte Verbrennungsluft wird in dem Verdichter 3c von dem Druck p0 auf einen Druck piC/teii komprimiert. Anschließend wird die Verbrennungsluft in dem Verdichter 3b auf einen Druck pid,teii weiter komprimiert. Der Druck Pid,teii ist kleiner als der Druck pid und größer als der Druck p0. Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 50 im Bypass 55 geschlossen ist und die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ebenfalls geschlossen sind, kann sich die Verbrennungsluft nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32 verteilen. Ein Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck p^ wird von dem Verdichter 3a auf den Druck pia verdichtet und der andere Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck pid wird von dem Verdichter 3b auf den Druck pib verdichtet . Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der beiden Ansaugleitungen 31 und 32, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 einen Druck p2(teii aufweist. Da die Abgasturbolader 3c und 3d mit reduzierter
Abgasturboladerdrehzahl rotieren, ist der Druck p2/teii kleiner als der Druck p2,gesch-
Ist das Bypassventil 53 teilweise geöffnet und das Bypassventil 50 im Bypass 55 ist ebenfalls teilweise geöffnet und sind die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 geschlossen, so verteilt sich ein erster und ein zweiter Teil der Verbrennungsluft mit dem Druck pid nahezu gleichmäßig auf die beiden Ansaugleitungen 31 und 32. Ein dritter Teil der Verbrennungsluft wird durch den Bypass 55 aufgrund des geöffneten Bypassventils geleitet und weist den Druck p1(j auf. Der erste Teil der Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3a von dem Druck pld auf den Druck pia verdichtet. Der zweite Teil der Verbrennungsluft wird von dem Verdichter 3b von dem Druck pid auf den Druck pxb verdichtet . Nach der Zusammenführung 42 durchmischt sich die Verbrennungsluft der zwei Ansaugleitungen 31 und 32 und des Bypasses 55, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler einen Druck P2,teii_i aufweist. Da ein Teil der Verbrennungsluft durch den Bypass 55 geleitet wird, ist der Druck P2,teii_i kleiner als der Druck P2,teii- Über die Bypassventile 51 und 52 der Bypässe 56 beziehungsweise 57 ist der Druck P2,teii i regelbar, wobei gilt, dass der Druck P2,teii i immer kleiner wird, je weiter die Bypassventile 51 und 52 geöffnet sind. Sind die Bypassventile 51 und 52 vollständig geöffnet, so weist die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler den Druck Pid,teii auf, da die Abgasturbolader 2a und 2b nun außer Betrieb sind.
Unter der Voraussetzung, dass das Bypassventil 53 teilweise geöffnet ist und das Bypassventil 50 vollständig geöffnet ist wird die Verbrennungsluft von den Verdichtern 3c und 3d auf den Druck pid.teii verdichtet und weist an der Verzweigung 41 im Ansaugtrakt 7 den Druck pid.teii auf. Aufgrund des geöffneten Bypassventils 50 wird die Verbrennungsluft an den Verdichtern 3a und 3b vorbei geleitet, so dass die Verbrennungsluft im Ladeluftsammler 46 nahezu den Druck Pid,teii besitzt. In diesem Fall sollten auch die Bypassventile 51 und 52 der Turbinen 4a und 4b geschlossen sein, da sonst eine unkontrollierte Förderung der Verdichter 3a und 3b aufgrund der rotierenden Abgasturbolader 2a und 2b möglich ist.
Je nach Betriebspunkt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 kann aufgrund der Anordnung der Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d jeder Abgasturbolader 2a, 2b, 2c, 2d einzeln abgeschaltet werden. Werden beispielsweise die Zylinder 12, 13 und 14 für den Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht benötigt, so kann der Abgasturbolader 2a stillgelegt werden, indem das Bypassventil 51 geöffnet wird. Ist das Bypassventil 50 im Ansaugtrakt 7 geschlossen, so wird die vom Verdichter 3c angesaugte und verdichtete Verbrennungsluft im Verdichter 3d nochmals verdichtet und im Verdichter 3b wiederum noch einmal verdichtet . Da der Abgasturbolader 2a ruht, wird keine Verbrennungsluft vom Verdichter 3a angesaugt und verdichtet. Entsprechendes gilt bei einer Stilllegung des Abgasturboladers 2b, wobei hier das Bypassventil 52 geöffnet wird. Der Druck p2 im Ladeluftsammler entspricht einem Druck
P2,still-
Neben der V-förmigen Anordnung der Zylinderbänke ist ebenso eine Anordnung der Zylinder nebeneinander, das heißt in einer Reihe angeordnet, denkbar. Die Brennkraftmaschine 1 weist dann nach den Zylindern 12, 13, 14, 15, 16, 17 mindestens zwei Abgaskrümmer oder einen zweiflutigen Abgaskrümmer auf, damit jedem Abgaskrümmer oder jeder Flut des zweiflutigen Abgaskrümmers je ein Abgasstrang zuzuordnen ist. Durch diese Trennung der Abgasführung ist eine parallele Anordnung des ersten und des zweiten Abgasturboladers möglich. Da durch diese Trennung der erste und der zweite Abgasturbolader klein ausführbar sind, ist die Ausführung der Abgasturbolader entsprechend einer Hochdruckstufe realisierbar. Diese Hochdruckstufe erst ermöglicht einen sehr hohen Ladedruck p2.
Ebenso denkbar ist die Zusammenfassung des dritten und vierten Abgasturboladers, die Abgasturbolader der Niederdruckstufe, in einem Abgasturbolader.
Fig. 2 zeigt ein schematisiertes Diagramm eines Massenstromes m über einem Druckverhältnis P2/P1. Im Diagramm sind die Linien der Massenstrδme m unterschiedlicher Aufladeverfahren dargestellt. Der Verlauf des Massenstromes m der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 wird von der durchgezogenen Linie a dargestellt. Eine gestrichelte Linie b zeigt eine Abgasturboladerkombination entsprechend einer Registeraufladung. Eine punktierte Linie c zeigt eine Abgasturboladerkombination entsprechend einer zweistufige Aufladung.

Claims

Patentansprüche
Brennkraftmaschine (1) mit einem Ansaugtrakt (7) , der mindestens eine erste Ansaugleitung (31) und eine zweite Ansaugleitung (32) aufweist, mit einem Abgastrakt (6) , der mindestens einen ersten Abgasstrang (20) und einen zweiten Abgasstrang (21) aufweist, mit mindestens zwei Abgasturboladern (2a, 2b) , die jeweils eine Turbine (4a, 4b) und einen über eine drehfeste Welle (5a, 5b) mit der Turbine (4a, 4b) verbundenen Verdichter (3a, 3b) aufweisen, welcher in einer Ansaugleitung (31, 32) angeordnet ist, wobei dem ersten Abgasstrang (20) mindestens die Turbine (4a) des ersten Abgasturboladers
(2a) und dem zweiten Abgasstrang (21) mindestens die Turbine (4b) des zweiten Abgasturboladers (2b) zugeordnet ist, mit mindestens zwei Bypässen (56, 57) zur Umleitung von Abgas und/oder Verbrennungsluft und mit mindestens einem ersten Abgaskrümmer (18) und einem zweiten Abgaskrümmer (19) , dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) einen dritten Abgasstrang
(22) stromab einer Zusammenführung (40) des ersten und zweiten Abgasstranges (20, 21) mit mindestens einer Turbine (4c) eines weiteren Abgasturboladers (2c) aufweist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Abgaskrümmer (18) der erste Abgasstrang (20) und dem zweiten Abgaskrümmer (19) der zweite Abgasstrang (21) zugeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ansaugtrakt (7) mindestens eine dritte Ansaugleitung (30) zugeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abgasstrang (22) neben der Turbine (4c) des weiteren Abgasturboladers (2c) eine Turbine (4d) eines zusätzlichen Abgasturboladers (4d) aufweist, welche stromab der Zusammenführung (40) und stromauf der Turbine (4c) des weiteren Abgasturboladers (2c) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (3c) des weiteren Abgasturboladers (2c) einem Verdichter (3d) des zusätzlichen Abgasturboladers (2d) vorgeschaltet ist.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (3a, 3b) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (2a, 2b) parallel angeordnet sind.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter (3a, 3b) des ersten und des zweiten Abgasturboladers (2a, 2b) stromab des Verdichters (3c) des weiteren Abgasturboladers (2c) angeordnet sind.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgastrakt (6) den ersten Bypass (56) mit einem ersten Bypassventil (51) , den zweiten Bypass (57) mit einem zweiten Bypassventil (52) sowie einen dritten Bypass (58) mit einem dritten Bypassventil (53) und der Ansaugtrakt (7) einen vierten Bypass (55) mit einem vierten Bypassventil (50) aufweist.
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) nach einer Zusammenführung (42) der ersten Ansaugleitung (31) , der zweiten Ansaugleitung (32) und des vierten Bypasses (55) einen Ladeluftkühler (45) aufweist.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine 1 einen weiteren Ladeluftkühler in der dritten Ansaugleitung (30) stromab des Verdichters (3d) des zusätzlichen Abgasturboladers (2d) und stromauf einer Verzweigung (41) der dritten Ansaugleitung (30) im Ansaugtrakt (7) aufweist.
11. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator (25) stromab des dritten Bypasses (58) in dem dritten Abgasstrang (22) angeordnet ist.
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator stromab des ersten Bypasses (56) und stromauf der Zusammenführung (40) im ersten Abgasstrang (20) angeordnet ist.
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Katalysator stromab des zweiten Bypasses (57) und stromauf der Zusammenführung (40) im zweiten Abgasstrang (21) angeordnet ist.
14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) eine oder mehrere Zylinderbänke aufweist.
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