DE102010037186B4

DE102010037186B4 - Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen

Info

Publication number: DE102010037186B4
Application number: DE102010037186.6A
Authority: DE
Inventors: Erwin Rutschmann
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: DE102010037186A1

Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit zwei Zylinderreihen (2,3), zwei Doppelkrümmern (4,5), die jeweils einen ersten und einen zweiten Teilkrümmer (6,7) aufweisen, und drei Turboladern (10,11,12), wobei- jeder Zylinder zwei Auslassventile (8,9) aufweist, von denen zumindest eines abschaltbar ausgebildet ist,- die ersten Auslassventile (8) der ersten Zylinderreihe (2) über den ersten Teilkrümmer (6) des ersten Doppelkrümmers (4) mit dem ersten Turbolader (10) und die ersten Auslassventile (8) der zweiten Zylinderreihe (3) über den ersten Teilkrümmer (6) des zweiten Doppelkrümmers (5) mit dem zweiten Turboblader (11) verbunden sind,- die jeweils zweiten Auslassventile (9) der Zylinderreihen (2,3) über den jeweils zugehörigen zweiten Teilkrümmer (7) der Doppelkrümmer (4,5) mit dem dritten Turbolader (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,- dass im Bereich des dritten Turboladers (12) ein Turbinenzuschaltventil (13) angeordnet ist, über welches eine Ladeleistung des dritten Turboladers (12) steuerbar ist,- dass bei vollständig geöffneten zweiten Auslassventilen (9) und vollständig geöffnetem Turbinenzusatzschaltventil (13) ca. ¼ eines Abgasstroms zum ersten Turbolader (10), ¼ des Abgasstroms zum zweiten Turbolader (11) und ½ des Abgasstroms zum dritten Turbolader (12) strömt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen, zwei Doppelkrümmern, die jeweils einen ersten und zweiten Teilkrümmer aufweisen sowie mit drei Turboladern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit einer derartigen Brennkraftmaschine ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Aus der US 2009/0287397 A1 ist eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen, zwei Doppelkrümmern und insgesamt drei Turboladern bekannt, wobei jeder Zylinder zwei Auslassventile aufweist, von denen jeweils ein erstes entweder mit dem ersten oder zweiten Turbolader und jeweils ein zweites Auslassventil mit dem dritten Turbolader verbunden ist. Zu diesem Zweck weisen die Doppelkrümmer jeweils eingangs erwähnten ersten und zweiten Teilkrümmer auf.
Aus der DE 198 41 959 B4 ist eine weitere Vorrichtung zum Aufladen eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der sämtliche Zylinder über je ein Auslassventil mit einem gemeinsamen Abgassammler verbunden sind. An diesen Abgassammler ist ein erster Abgasturbolader mit seiner Turbine angebunden. Zusätzlich sind noch zwei weitere Abgasturbolader vorgesehen. Um insbesondere eine Schadstoffemission zu senken und ein Beschleunigungsverhalten im niedrigen Drehzahlbereich zu verbessern, ist vorgesehen, dass sich an jeden Abgasturbolader ein eigener Ladeluftverteiler anschließt, jedem Ladeluftverteiler an sämtlichen Zylindern des Verbrennungsmotors jeweils ein separates Einlassventil zugeordnet ist und zwischen dem Ladeluftverteiler jedes weiteren Abgasturboladers und den ihm zugeordneten Einlassventilen je ein Vorventil mit einer an das Schaltspiel der weiteren Abgasturbolader gekoppelten Betätigungseinrichtung vorgesehen ist.
Aus der DE 699 04 928 T2 ist eine weitere aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, ebenso wie aus der DE 100 60 690 A1 , der DE 41 20 057 C2 , DE 36 37 534 A1 , der DE 10 2007 050 986 A1 und der EP 2 357 337 A1 .
Schließlich ist aus der DE 10 2004 058 371 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasaufladung bekannt, wobei sowohl Niederdruck als auch Hochdruckturbinen vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine Drehzahlspreizung, das heißt ein hohes Ansprechverhalten in vorzugsweise sämtlichen Drehzahlbereichen auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit insgesamt drei Turboladern auszustatten, die jeweils für unterschiedliche Drehzahlbereiche ausgelegt sind und eine Zuschaltung der einzelnen Turbolader so zu regeln, dass in keinem Drehzahlbereich ein Leistungseinbruch zu verzeichnen ist und dadurch eine hohe Drehzahlspreizung erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist dazu zwei Zylinderreihen, zwei Doppelkrümmer sowie insgesamt drei Turbolader auf. Die beiden Doppelkrümmer besitzen jeweils einen ersten und einen zweiten Teilkrümmer, wobei jeder Zylinder zwei Auslassventile aufweist, von denen zumindest eines abschaltbar ausgebildet ist. Die ersten Auslassventil der ersten Zylinderreihe sind dabei über den ersten Teilkrümmer des ersten Doppelkrümmers mit dem ersten Turbolader verbunden, während die ersten Auslassventile der zweiten Zylinderreihe über den ersten Teilkrümmer des zweiten Doppelkrümmers mit dem zweiten Turbolader kommunizierend verbunden sind. Darüber hinaus sind die jeweils zweiten Auslassventile der Zylinderreihen über den jeweils zugehörigen zweiten Teilkrümmer der beiden Doppelkrümmer mit dem dritten Turbolader verbunden. Für geringe bis mittlere Drehzahlen sorgen somit der erste und der zweite Turbolader für die erforderliche Aufladung der Brennkraftmaschine, während der dritte Turbolader zur Aufladung der Brennkraftmaschine bei höheren Drehzahlen verantwortlich ist. Erfindungsgemäß ist nun im Bereich des dritten Turboladers ein Turbinenzuschaltventil angeordnet, über welches eine Ladeleistung des dritten Turboladers steuerbar ist. Nach dem Öffnen der jeweils zweiten Auslassventile der einzelnen Zylinder strömt somit Abgas zum dritten Abgasturbolader, wobei hier das erfindungsgemäße Turbinenzuschaltventil dafür Sorge trägt, dass die Leistung des dritten Abgasturboladers kontinuierlich und nicht sprunghaft hochgefahren wird, so dass ein Abfallen der Leistungen der beiden anderen Turbolader zuverlässig verhindert werden kann. Das Turbinenzuschaltventil steuert somit die dem dritten Turbolader zuströmende Abgasmenge und über diese zugleich auch die noch für die beiden anderen Turbolader zur Verfügung stehende Abgasmenge. Ein schlagartiges Zuschalten des dritten Turboladers würde nämlich eine signifikante Leistungsverminderung der beiden anderen Turbolader zur Folge haben, was insbesondere in diesem Übergangsbereich zu einem Abfall der Leistung der Brennkraftmaschine führen würde. Weiter vorgesehen ist, dass bei vollständig geöffneten zweiten Auslassventilen und vollständig geöffnetem Turbinenzusatzschaltventil ca. ¼ eines Abgasstroms zum ersten Turbolader, ¼ des Abgasstroms zum zweiten Turbolader und ½ des Abgasstroms zum dritten Turbolader strömt. Mit dem erfindungsgemäßen Turbinenzuschaltventil hingegen kann dieser unerwünschte Leistungsabfall, insbesondere im Übergangsbereich zwischen mittleren und hohen Drehzahlen, verhindert werden, wodurch die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in vorzugsweise sämtlichen Drehzahlbereichen schnell anspricht und dadurch in vorzugsweise sämtlichen Drehzahlbereichen leistungsstark ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, ist das Turbinenzuschaltventil stromab des dritten Turboladers angeordnet. Dies bietet den großen Vorteil, dass der gesamte stromauf des dritten Turboladers angeordnete Querschnitt als Abgassammelraum genutzt werden kann, wodurch ein vergleichsweise großes Abgassammelvolumen zur Stauaufladung des dritten Turboladers zur Verfügung steht.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist dem ersten, dem zweiten und dem dritten Turbolader jeweils eine Abgasreinigungseinrichtung nachgeschaltet, wobei die Abgasreinigungseinrichtungen des ersten und zweiten Turboladers ausgangsseitig mit einem Eingang der Abgasreinigungseinrichtung des dritten Turboladers verbunden sind. Hierdurch kann eine besonders effektive und umweltgerechte Reinigung der von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgase erreicht werden, was insbesondere unter ökologischen Gesichtspunkten von besonderem Wert ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem gemeinsamen Schalldämpfer für sämtliche Zylinder.

Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 jeweils zwei Zylinderreihen, nämlich eine erste Zylinderreihe 2 und eine zweite Zylinderreihe 3 mit jeweils drei Zylindern sowie einen ersten und einen zweiten Doppelkrümmer 4, 5 auf. Beide Doppelkrümmer 4, 5 besitzen jeweils einen ersten Teilkrümmer 6 sowie einen zweiten Teilkrümmer 7. Jeder der Zylinder besitzt darüber hinaus zwei Auslassventile 8, 9, von denen zumindest eines, vorzugsweise das zweite Auslassventil 9, abschaltbar ausgebildet ist. Die ersten Auslassventile 8 der ersten Zylinderreihe 2 sind dabei über den ersten Teilkrümmer 6 des ersten Doppelkrümmers 4 mit dem ersten Turbolader 10 der insgesamt drei Turbolader 10, 11, 12 verbunden, während die ersten Auslassventile 8 der zweiten Zylinderreihe 3 über den ersten Teilkrümmer 6 des zweiten Doppelkrümmers 5 mit dem zweiten Turbolader 11 verbunden sind. Sämtliche zweiten Auslassventile 9 beider Zylinderreihen 2, 3 sind über den jeweils zugehörigen zweiten Teilkrümmer 7 der beiden Doppelkrümmer 4, 5 mit dem dritten Turbolader 12 verbunden. Der erste und der zweite Turbolader 4, 5 arbeitet dabei nach der Stoßaufladung, wogegen der dritte Turbolader 12 nach dem Prinzip der Stauaufladung arbeitet. Im Bereich des dritten Turboladers 12 ist erfindungsgemäß ein Turbinenzuschaltventil 13 angeordnet, über welches eine Ladeleistung des dritten Turboladers 12 steuerbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 kann eine deutliche Leistungsspreizung, das heißt insbesondere eine Drehzahlspreizung, erreicht werden, wobei die drei unterschiedlichen Turbolader 10, 11, 12 und das erfindungsgemäße Turbinenzuschaltventil 13 dafür sorgen, dass in allen Drehzahlbereichen eine entsprechende Leistung der Brennkraftmaschine 1 abgerufen werden kann und insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen einer mittleren und einer hohen Drehzahl kein Leistungseinbruch beim Zuschalten des dritten Turboladers 13 erfolgt.
Die ersten beiden Turbolader 10, 11 decken dabei einen unteren und mittleren Drehzahlbereich ab, wobei in diesen Drehzahlbereichen der erste und der zweite Turbolader 10, 11 aktiviert sind. Im unteren Drehzahlbereich werden beide Turbolader 10 und 11 über die ersten Auslassventile 8 mit Abgas beaufschlagt, um dadurch verdichtete Ladeluft einem Verbrennungsmotor zuzuführen. Im unteren Drehzahlbereich sind die zweiten Auslassventile 9 der einzelnen Zylinder noch geschlossen. Soll die Drehzahl weiter gesteigert werden, so können die zweiten Auslassventile 9 beider Zylinderreihen 2, 3 geöffnet werden, wodurch Abgas von den zweiten Auslassventilen 9 über entsprechende Leitungen dem dritten Turbolader 12 zugeführt wird. Eine Aktivierung des dritten Turboladers 12 erfolgt jedoch ausschließlich dann, wenn das diesem zugeordnete Turbinenzuschaltventil 13 geöffnet wird. Durch ein langsames und kontinuierliches Öffnen des Turbinenzuschaltventils 13 kann insbesondere ein deutlicher Leistungsabfall an den ersten beiden Turboladern 10, 11 beim Zuschalten des dritten Turboladers 12 verhindert werden.
Wie den 1 und 2 dabei zu entnehmen ist, ist das erfindungsgemäßen Turbinenzuschaltventil 13 stromab des dritten Turboladers 12 angeordnet, wodurch der gesamte stromauf bis zu den Zylinderreihen 2, 3 liegende Querschnitt als Abgassammelraum, das heißt als Stauraum, genutzt werden kann.
Sämtlichen Turboladern 10, 11, 12 ist dabei jeweils eine Abgasreinigungseinrichtung 15, 15' 15", die beispielsweise als Katalysator ausgebildet sind, nachgeordnet. Dabei fällt auf, dass die Abgasreinigungseinrichtungen 15 und 15' des ersten und zweiten Turboladers 10, 11 ausgangsseitig mit einem Eingang der Abgasreinigungseinrichtung 15" des dritten Turboladers 12 verbunden sind, so dass die bereits in den Abgasreinigungseinrichtungen 15 und 15' gereinigten Abgase vor dem Entlassen in die Umgebung zusätzlich noch in der Abgasreinigungseinrichtung 15" gereinigt werden.
Beim Übergang von einem mittleren in einen hohen Drehzahlbereich kann neben einem kontrollierten Öffnen des Turbinenzuschaltventils 13 auch ein kontrolliertes Öffnen der zweiten Auslassventile 9 erfolgen, wobei ein Öffnen beispielsweise getaktet, insbesondere entsprechend einer Zündfolge eines zugehörigen Zylinders, erfolgen kann. Bei vollständig geöffneten Ventilen 9, 13 strömt ca. ein Viertel des Abgasstromes zum ersten Turbolader 10, ein weiteres Viertel des Abgasstromes zum zweiten Turbolader 11 und die Hälfte des gesamten Abgasstromes vorzugsweise zum dritten Turbolader 12.
Im Unterschied zur 1 weist die Brennkraftmaschine 1 der 2 einen gemeinsamen Endschalldämpfer 16 auf, wogegen die Brennkraftmaschine 1 der 1 zwei separate Endschalldämpfer 16 und 16' besitzt. Im Übrigen sind die Brennkraftmaschinen 1 der 1 und 2 jedoch identisch aufgebaut.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, eine hohe Leistung über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 1 abzurufen, ohne dass bei Übergängen zwischen den einzelnen Drehzahlbereichen mit einem Leistungseinbruch, wie dies bisher beispielsweise üblich war, zu Rechnen wäre. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 lässt sich somit eine deutliche Drehzahlspreizung erreichen, welche darüber hinaus durch unterschiedliche Dimensionierung der einzelnen Turbolader 10, 11, 12 zusätzlich verstärkt bzw. vergrößert werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit zwei Zylinderreihen (2,3), zwei Doppelkrümmern (4,5), die jeweils einen ersten und einen zweiten Teilkrümmer (6,7) aufweisen, und drei Turboladern (10,11,12), wobei - jeder Zylinder zwei Auslassventile (8,9) aufweist, von denen zumindest eines abschaltbar ausgebildet ist, - die ersten Auslassventile (8) der ersten Zylinderreihe (2) über den ersten Teilkrümmer (6) des ersten Doppelkrümmers (4) mit dem ersten Turbolader (10) und die ersten Auslassventile (8) der zweiten Zylinderreihe (3) über den ersten Teilkrümmer (6) des zweiten Doppelkrümmers (5) mit dem zweiten Turboblader (11) verbunden sind, - die jeweils zweiten Auslassventile (9) der Zylinderreihen (2,3) über den jeweils zugehörigen zweiten Teilkrümmer (7) der Doppelkrümmer (4,5) mit dem dritten Turbolader (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, - dass im Bereich des dritten Turboladers (12) ein Turbinenzuschaltventil (13) angeordnet ist, über welches eine Ladeleistung des dritten Turboladers (12) steuerbar ist, - dass bei vollständig geöffneten zweiten Auslassventilen (9) und vollständig geöffnetem Turbinenzusatzschaltventil (13) ca. ¼ eines Abgasstroms zum ersten Turbolader (10), ¼ des Abgasstroms zum zweiten Turbolader (11) und ½ des Abgasstroms zum dritten Turbolader (12) strömt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenzuschaltventil (13) stromab des dritten Turboladers (12) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten, dem zweiten und dem dritten Turbolader (10,11,12) jeweils eine Abgasreinigungseinrichtung (15,15', 15") nachgeschaltet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungseinrichtungen (15,15') des ersten und zweiten Abgasturboladers (10,11) ausgangsseitig mit einem Eingang der Abgasreinigungseinrichtung (15") des dritten Abgasturboladers (12) verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile (8,9) der Zylinder getaktet schaltbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile (8,9) der Zylinder entsprechend einer Zündfolge schaltbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Turbolader (10,11,12) ein Bypassventil (14) zur Umgehung des jeweiligen Turboladers (10,11,12) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) zumindest vier Zylinder aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) sechs Zylinder aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.