DE102010006309A1

DE102010006309A1 - Brennkraftmaschine mit in deren Zylinderkopf integriertem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102010006309A1
Application number: DE102010006309A
Authority: DE
Inventors: Michael 75233 Baum
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2), der in einen Zylinderkopf (7) der Brennkraftmaschine (1) integriert ist, wobei der Abgasturbolader (2) mehrere Verdichterstufen (5, 6) und mindestens eine Turbinenstufe (3) aufweist, sowie mit einer in Strömungsverbindung mit der Turbinenstufe (3) stehenden Abgasanlage (22).
Bei einer solchen Brennkraftmaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine Verdichterstufe (6) stromabwärts der Turbinenstufe (3) mit der Abgasanlage (22) verbunden ist.
Bei einer derartig gestalteten Brennkraftmaschine ist mit hohem Wirkungsgrad eine Nachoxidation des Abgases möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert ist, wobei der Abgasturbolader mehrere Verdichterstufen und mindestens eine Turbinenstufe aufweist, sowie mit einer in Strömungsverbindung mit der Turbinenstufe stehenden Abgasanlage.
Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht der Bedarf, den im Motorraum vorhandene Platz effektiv zu nutzen. Dies ist mitunter bei dem Einsatz eines Abgasturboladers erschwert. Der Freiheitsgrad bei der Auslegung und dem Design des Abgasturboladers, und dabei insbesondere dessen Frischluft- und Abgaskanälen, ist begrenzt. Dies liegt unter anderem an der Kopplung zwischen Verdichter und Turbine. Die Integration des Abgasturboladers in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ermöglicht eine platzsparende Anordnung der Brennkraftmaschine im Motorraum.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2007 017 854 A1 bekannt. Bei dieser ist die Abgasanlage mit einem Katalysator versehen. Durch die Abgasanlage wird ausschließlich Abgas der Brennkraftmaschine geleitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei dieser das Abgas nachoxidiert werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass mindestens eine Verdichterstufe stromabwärts der Turbinenstufe mit der Abgasanlage verbunden ist.
Mittels der mindestens einen Verdichterstufe erfolgt die Sauerstoffanreicherung, somit nach Oxidation des Abgases. Über diese mindestens eine Verdichterstufe wird Frischluft der Abgasanlage zugeführt, so dass zusätzliche Ladeluft zur Oxidation des Abgasstroms zur Verfügung steht.
Bei einer derartig gestalteten Brennkraftmaschine ist mit hohem Wirkungsgrad eine Nachoxidation des Abgases möglich.
Insbesondere weist die Abgasanlage einen Katalysator auf und es ist die Verdichterstufe stromaufwärts des Katalysators oder im Bereich des Katalysators mit der Abgasanlage verbunden. Infolge der Nachoxidation freigesetzte Wärme heizt den Katalysator zusätzlich auf, mit der Konsequenz, dass der Katalysator in kurzer Zeit auch seine Betriebstemperatur erreicht.
Der Abgasturbolader weist somit vorzugsweise mindestens zwei Verdichterstufen auf, wobei mindestens eine Verdichterstufe die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Frischluft versorgt und eine Verdichterstufe Frischluft unmittelbar der Abgasanlage zuführt. Insbesondere sind bis zu drei Verdichterstufen vorgesehen.
Es können gleichfalls mehrere Turbinenstufen vorgesehen sein, insbesondere bis zu drei Turbinenstufen.
Bei Verwendung mehrerer Verdichterstufen bzw. mehrerer Turbinenstufen sind die Verdichterstufen bzw. Turbinenstufen unterschiedlichen Zylindern bzw. unterschiedlichen Zylindergruppen der Brennkraftmaschinen zugeordnet.
Stromaufwärts der Verdichterstufen ist vorzugsweise ein allen Verdichterstufen gemeinsamer Luftfilter angeordnet oder aber es sind den jeweiligen Verdichterstufen separate Luftfilter zugeordnet.
Durch Integration des Abgasturboladers in den Zylinderkopf ist dieser in bestimmten Lastzuständen der Brennkraftmaschine thermisch besonders hoch belastet. Zur Optimierung der Kühlung ist deshalb nicht nur die übliche Kühlmittelpumpe zum Fördern des Kühlmittels im Bereich des Kühlmittelkreislaufs des Zylinderkopfes vorgesehen, sondern darüber hinaus eine zusätzliche elektrische Kühlmittelpumpe, mit der der Kühlmitteldurchsatz im Zylinderkopf bei Bedarf erhöht werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es somit, mit Hilfe einer Verdichterstufe des Abgasturboladers die Umsetzung einer Sekundärluftfunktion vorzunehmen, so dass für die Abgasnachoxidation eine größere Frischluftmasse verfügbar ist.
Konstruktiv ist die Brennkraftmaschine insbesondere so gestaltet, dass ein Turbinen- und Verdichterrad von jeweiliger Turbinenstufe und jeweiliger Verdichterstufe direkt in den Zylinderkopf neben den Auslasskanälen des Zylinderkopfes eingebettet ist. Am Zylinderkopf befinden sich Gehäuseaufnahmen nebst Lagerstellen zur Aufnahme der jeweiligen Turbinen- und Verdichterstufe. Der Kühlmittelkreislauf/Kühlwasserkreislauf umspült das aufnehmende Gehäuse und die Lagerpunkte. Die Elektropumpe sorgt bei Bedarf für einen hohen Kühlmitteldurchsatz zur nötigen Turbinenkühlung und unterstützt somit bei Bedarf die standardgemäße Kühlmittelpumpe der Brennkraftmaschine. Sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad können ein-, zwei- oder dreistufig ausgelegt sein, je nach gewünschter Funktion.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht ein schnelles Erreichen der Motor-Betriebstemperatur. Es ist keine Zuheizung erforderlich. Die notwendige Luftmenge ist in allen Drehzahl- und Lastbereichen verfügbar. Die Abgasnachoxidation kann mit äußerst großer Luftmenge erfolgen. Insbesondere ist eine sehr hohe CO₂-Reduzierung gewährleistet. Separate Sekundärluftgebläse sind somit nicht nötig. Hohe Arbeitstemperaturen und höhere Verbrennungstemperaturen sind im Besonderen bei Diesel-Motoren leicht erreichbar.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und im Nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform,
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit Abgasturbolader 2, der eine Turbinenstufe 3 und zwei mittels einer Welle 4 der Turbinenstufe 3 angetriebene Verdichterstufen – erste Verdichterstufe 5 und zweite Verdichterstufe 6 – aufweist.
Die Brennkraftmaschine weist vier nicht näher veranschaulichte Zylinder auf. Der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 ist mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet. Im Zylinderkopf 7 sind eine Einlassnockenwelle 8, eine Auslassnockenwelle 9 und jedem Zylinder zugeordnete Zündkerzen 10 und Ventile 11 zur Direkteinspritzung von Kraftstoff gelagert. Ein- und Auslassventile der Brennkraftmaschine 1 sind nicht veranschaulicht.
Der Abgasturbolader 2, somit die Turbinenstufe 3 und die beiden Verdichterstufen 5 und 6 sind in den Zylinderkopf 7 integriert.
Stromaufwärts der beiden Verdichterstufen 5 und 6 ist ein Luftfilter 12 angeordnet, über den Frischluft den beiden Verdichterstufen 5 und 6 zugeführt wird. Hierbei kann der Luftfilter 12 in zwei separate Luftfiltereinheiten unterteilt sein, wobei jeweils eine Luftfiltereinheit einer Verdichterstufe 5 bzw. 6 zugeordnet ist. Eine erste, vom Luftfilter 12 abgehende Zuführleitung 13 führt Frischluft einer Ansaugluftöffnung 14 der ersten Verdichterstufe 5 zu und eine vom Luftfilter 12 abgehende zweite Zuführleitung 15 Frischluft einer Ansaugluftöffnung 16 der zweiten Verdichterstufe 6 zu. Die verdichtete Frischluft wird von der ersten Verdichterstufe 5 über eine Zuführleitung 17 und einen dieser zugeordneten Ladeluftkühler 18 sowie Drosselklappe 19 den Zylindern zugeführt.
Abgase gelangen von den Zylindern durch Abgaskanäle 21 im Zylinderkopf 7 zur Turbinenstufe 3 und von dort zur Abgasanlage 22 des die Brennkraftmaschine 1 aufweisenden Kraftfahrzeuges, bei dem es sich insbesondere um einen Personenkraftwagen handelt.
Die Frischluft wird somit zu den Zylindern nur mittels der ersten Verdichterstufe 5 zugeführt, wobei an die Zuführleitung 17, zwischen der Verdichterstufe 5 und dem Ladeluftkühler 18, eine Zweigleitung 20 angeschlossen ist, die mit einem Druck-Regelventil 23 versehen ist und mit der Zuführleitung 13 verbunden ist. Diese Zuführleitung 13 ist stromaufwärts der Verbindung mit der Zweigleitung 20 mit einem Luftmassenmesser 24 versehen.
Die Abgasanlage 22 weist einen Katalysator 25 und einen stromabwärts des Katalysators 25 angeordneten Schalldämpfer 26 auf. Stromabwärts der zweiten Verdichterstufe 6 ist mit dieser eine Zuführleitung 27 verbunden, die stromaufwärts des Katalysators 25 in die Abgasanlage 22 mündet, konkret eine Abgasleitung 28 der Abgasanlage 22. Über den Luftfilter 12 zugeführte Frischluft, die durch die Ansaugöffnung 16 der zweiten Verdichterstufe 6 gelangt, wird somit, zum Zwecke der Sauerstoffanreicherung (Nachoxidation) der Abgasanlage 22 bzw. dem Katalysator 25 zugeführt.
Demzufolge dient die eine Verdichterstufe – erste Verdichterstufe 5 – der Aufladung und die andere Verdichterstufe – zweite Verdichterstufe 6 – der Sauerstoffanreicherung des Abgases.
Mit Pfeilen sind in der 1 die Strömungswege von Frischluft und Abgas veranschaulicht.
Zur Optimierung der Kühlung des Zylinderkopfes 7 kann eine zusätzliche elektrische Kühlmittelpumpe vorgesehen sein, mit der bei Bedarf eine Erhöhung des Kühlwasserdurchsatzes im Zylinderkopf 7 vorgenommen werden kann.
Die Ausführungsform nach der 2 unterscheidet sich von derjenigen nach der 1 nur dadurch, dass statt einer Turbinenstufe 3 eine weitere Turbinenstufe 3 vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform der Brennkraftmaschine bilden die Zylinder zwei Zylinderpaare, wobei die Abgase des einen Zylinderpaares der einen Turbinenstufe 3, die Abgase des anderen Zylinderpaares der anderen Turbinenstufe 3 zugeführt werden. Von den beiden Turbinenstufen 3, 3 gelangen die Abgase über eine Verbindungsleitung 29 in die gemeinsame Abgasleitung 28.
Mit der Ausführungsform nach der 1 übereinstimmende Teile der Ausführungsform nach 2 sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Abgasturbolader
3: Turbinenstufe
4: Welle
5: Verdichterstufe
6: Verdichterstufe
7: Zylinderkopf
8: Einlassnockenwelle
9: Auslassnockenwelle
10: Zündkerze
11: Ventil
12: Luftfilter
13: Zuführleitung
14: Ansaugluftöffnung
15: Zuführleitung
16: Ansaugluftöffnung
17: Zuführleitung
18: Ladeluftkühler
19: Drosselklappe
20: Zweigleitung
21: Abgaskanal
22: Abgasanlage
23: Druckregelventil
24: Luftmassenmesser
25: Katalysator
26: Schalldämpfer
27: Zuführleitung
28: Abgasleitung
29: Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007017854 A1 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader (2), der in einen Zylinderkopf (7) der Brennkraftmaschine (1) integriert ist, wobei der Abgasturbolader (2) mehrere Verdichterstufen (5, 6) und mindestens eine Turbinenstufe (3) aufweist, sowie mit einer in Strömungsverbindung mit der Turbinenstufe (3) stehenden Abgasanlage (22), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verdichterstufe (6) stromabwärts der Turbinenstufe (3) mit der Abgasanlage (22) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (22) einen Katalysator (25) aufweist und die mit der Abgasanlage (22) verbundene Verdichterstufe (6) stromaufwärts des Katalysators (25) oder im Bereich des Katalysators (25) mit der Abgasanlage (22) verbunden ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (2) mindestens zwei Verdichterstufen (5, 6) aufweist, wobei mindestens eine Verdichterstufe (5) die Zylinder der Brennkraftmaschine (1) mit Frischluft versorgt und eine Verdichterstufe (6) Frischluft der Abgasanlage (22) zuführt.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu drei Verdichterstufen (4, 6) vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Turbinenstufen (3) vorgesehen sind, insbesondere bis zu drei Turbinenstufen (3) vorgesehen sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Verdichterstufen (4, 6) ein allen Verdichterstufen (4, 6) gemeinsamer Luftfilter (12) angeordnet ist oder den jeweiligen Verdichterstufen (4, 6) zugeordnete, separate Luftfilter angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (7) einen Kühlmittelkreislauf zum Kühlen des Abgasturboladers (2) aufweist sowie eine Kühlmittelpumpe zum Fördern des Kühlmittels vorgesehen ist, wobei eine zusätzliche elektrische Kühlmittelpumpe zur Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes im Zylinderkopf (7) vorgesehen ist.