DE10209002A1

DE10209002A1 - 2-stufige Aufladung am V-Motor

Info

Publication number: DE10209002A1
Application number: DE10209002A
Authority: DE
Inventors: Juergen Huter
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-11
Also published as: US20030159443A1; GB2386924B; GB0303355D0; GB2386924A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe 2.1, 2.2, denen mindestens zwei Turbolader 3.1, 3.2 mit jeweils einem Ladeluftverdichter 3.3 und einer Abgasturbine 3.4 zugeordnet sind, wobei der ersten Zylinderreihe 2.1 und der zweiten Zylinderreihe 2.2 je ein erster Turbolader 3.1 und je ein zweiter Turbolader 3.2 zugeordnet sind und wobei der erste Turbolader 3.1 größer ausgebildet ist als der zweite Turbolader 3.2.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe, denen mindestens zwei Turbolader mit jeweils einem Ladeluftverdichter und einer Abgasturbine zugeordnet sind.
Es ist bereits eine mehrzylindrige Hubkolbenbrennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylinderreihen und zwei Abgasturboladern aus der DE 100 15 291 A1 bekannt. Hierbei werden die beiden unterschiedlich großen Abgasturbolader nach Bedarf in Reihe oder parallel betrieben, um das Ansprechverhalten zu verbessern und eine große Leistung bei gutem Wirkungsgrad zu erzielen. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist eine Serienschaltung von Vorteil, bei der der größere Abgasturbolader als Niederdruckstufe und der kleinere Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient. Die Abgase passieren dabei zunächst den kleineren Abgasturbolader und geben ihre Restenergie an den größeren Abgasturbolader zum Erreichen der Grunddrehzahl ab. Bei hohen Drehzahlen oder Vollast werden die Abgasturbolader parallel geschaltet, wobei ein Großteil der Abgase und der Ladeluft über einen Bypass zwischen Einlaß und Auslaß des kleinen Turboladers läuft, der den oberen Leistungsbereich decken soll. Das durch dieses Aufbauprinzip mit den innenliegenden Turboladern begrenzte Bauraumangebot begrenzt auch die Spannbreite der Aufladung. Auf ein konventionelles Motorkonzept mit nach außen geführtem Abgasstrang ist diese Innen-V-Bauweise der Turbolader auch nicht anwendbar.
Aus der DE 197 36 500 A1 ist eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit V-förmig angeordneten Zylinderreihen und mit im V-Raum vorgesehenem Luftunterstützungsgehäuse, Öl- Wärmetauscher und Abgasrückführkühler bekannt. Dabei ist jeder Zylinderreihe ein Abgasturbolader zugeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Abgasturbolader derart auszubilden und anzuordnen, daß eine einfache und sichere Nachrüstung bzw. Aufrüstung der Hubkolbenbrennkraftmaschine gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der ersten Zylinderreihe und der zweiten Zylinderreihe je ein erster Turbolader und je ein zweiter Turbolader zugeordnet sind, wobei der erste Turbolader größer ausgebildet ist als der zweite Turbolader. Ebenso ist es möglich, daß der ersten Zylinderreihe und der zweiten Zylinderreihe je ein erster Turbolader und zusammen ein zweiter Turbolader zugeordnet sind, wobei der erste Turbolader und der zweite Turbolader gleich groß sind. Hierdurch wird erreicht, daß zum einen je nach Drehzahl der Brennkraftmaschine eine optimale Aufladung der jeweiligen Zylinderbank gewährleistet ist, da bei geringen Motordrehzahlen der kleinere zweite Turbolader eine schnelle Aufladung und im Bereich der Motornenndrehzahl der große zweite Turbolader eine ausreichende Aufladung bietet. Zum anderen lassen sich konventionelle Motoren nachrüsten, da die Größe der beiden ersten Turbolader und die Größe der beiden zweiten Turbolader bzw. des zweiten Turboladers trotz gegebener Bauraumverhältnisse handhabbar ist. Durch die Verwendung von mindestens drei Turboladern wird zwar die Abgas- und Ladeluftversorgung komplexer, jedoch können die gegebenen Bauraumverhältnisse ausgeschöpft werden.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß der erste Ladeluftverdichter und der zweite Ladeluftverdichter in Reihe geschaltet sind, wobei der zweite Ladeluftverdichter einen zweiten Bypass mit einem zweiten Regelventil aufweist. Dadurch kann bei Nenndrehzahl der größere Ladeluftvolumenstrom des zweiten Ladeluftverdichters an dem ersten Ladeluftverdichter vorbeigeführt werden, ohne daß eine Drosselwirkung erzielt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, daß die erste Abgasturbine und die zweite Abgasturbine in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Abgasturbine einen ersten Bypass mit einem ersten Regelventil aufweist.
Vorteilhaft ist es hierzu auch, daß die zweite Abgasturbine einen dritten Bypass mit einem dritten Regelventil aufweist. Somit wird bei geschlossenem dritten Bypass der gesamte Abgasstrom über die zweite Abgasturbine zur ersten Abgasturbine geführt. Bei geöffnetem bzw. teilweise geöffnetem dritten Bypass bzw. drittem Regelventil werden beide Abgasturbinen parallel mit Abgas versorgt. Der sich einstellende Volumenstrom durch die beiden Abgasturbinen wird durch die Drosselwirkung der beiden Abgasturbinen und des dritten Regelventils bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß im unteren Motordrehzahlbereich die zweite Abgasturbine in Reihe vor der ersten Abgasturbine geschaltet und der dritte Bypass geschlossen ist. Die kleinere zweite Abgasturbine erreicht schneller die Ladedrehzahl als die größere erste Abgasturbine. Die Restenergie des Abgasstroms wird in der ersten Abgasturbine umgesetzt.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß im Bereich der Motornenndrehzahl die zweite Abgasturbine und die erste Abgasturbine über den dritten Bypass zumindest teilweise parallel geschaltet sind. Je nach Stellung des dritten Regelventils im dritten Bypass läuft die kleinere zweite Abgasturbine parallel zur ersten Abgasturbine mit.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß der zweite Turbolader als E- Booster oder elektrischer Verdichter ausgebildet ist. Die Verwendung eines E-Boosters. d. h. eines, elektrisch angetriebenen oder zumindest unterstützten Verdichters, bringt eine deutliche Flexibilität hinsichtlich des möglichen Aufladezeitpunkts mit sich. Zudem ist es möglich, einen elektrisch unterstützten Turbolader einzusetzen, damit in jedem Fall die gegebene Abgasenergie mit umgesetzt wird.
Vorteilhaft ist es ferner, daß ein Ladeluftkühler und eine Sauganlage für Ladeluft vorgesehen sind, die innerhalb der beiden Zylinderreihen angeordnet sind. Der obere Bereich der Hubkolbenbrennkraftmaschine in der Nähe der Motorhaube grenzt damit nicht unmittelbar an sehr feste und heiße Motorteile, so daß sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden können. Auch die Anordnung der Kraftstoffversorgung kann im Inneren der Hubkolbenbrennkraftmaschine bleiben und müßte nicht entgegen relevanter Sicherheitsaspekte nach außen verlegt werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, daß der zweite Turbolader in Fahrtrichtung vor der Zylinderreihe und der erste Turbolader seitlich im Auslaßbereich der Zylinderreihe und der Luftfilter in Fahrtrichtung nach der Zylinderreihe angeordnet ist. Der zweite Turbolader ist dabei nicht im Bereich der Auslaßkrümmer vorgesehen, so daß die Verwendung eines E-Boosters bzw. eines elektrisch unterstützten Turboladers an dieser Stelle möglich ist. Die Anordnung der beiden ersten Turbolader im Bereich der Auslaßkrümmer gewährleistet kurze Abgaswege bei Nennleistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Zylinderreihen und jeweils zwei ersten Turboladern.
In Fig. 1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 mit einer ersten Zylinderreihe 2.1 und einer zweiten Zylinderreihe 2.2 mit jeweils vier Zylindern in Reihe dargestellt.
Jeder Zylinderreihe 2.1, 2.2 ist ein erster Turbolader 3.1 mit einem ersten Ladeluftverdichter 3.3 und einer ersten Abgasturbine 3.4 sowie ein zweiter Turbolader 3.2 mit einem zweiten Ladeluftverdichter 3.5 und einer zweiten Abgasturbine 3.6 zugeordnet. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 ist insoweit symmetrisch aufgebaut, so daß im folgenden nur die rechte Seite der Fig. 1 beschrieben wird.
Der erste Ladeluftverdichter 3.3 steht über eine erste Ladeluftleitung 4.1 mit einer Sauganlage 8 bestehend aus einem Luftfilter sowie einem Luftmengenmesser und über eine zweite Ladeluftleitung 4.2 mit dem zweiten Ladeluftverdichter 3.5 in Durchflußverbindung. Der erste Ladeluftverdichter 3.3 und der zweite Ladeluftverdichter 3.5 sind über eine dritte Ladeluftleitung 4.3 mit einem Ladeluftkühler 7 verbunden, der über eine vierte Ladeluftleitung 4.4 an einen Ladeluftverteiler 7.1 für die zweite Zylinderreihe 2.2 gekoppelt ist.
Der zweite Ladeluftverdichter 3.5 weist hierbei einen zweiten Bypass 9.2 mit einem zweiten Regelventil 5.2 auf.
Ein Auslaßkrümmer 10 steht über eine erste Abgasleitung 6.1 mit der zweiten Abgasturbine 3.6 und diese über eine zweite Abgasleitung 6.2 mit der ersten Abgasturbine 3.4 in Durchflußverbindung. An die erste Abgasturbine 3.4 schließen über eine dritte Abgasleitung 6.3 die nicht dargestellten Endschalldämpfer an.
Die erste Abgasturbine 3.4 weist einen ersten Bypass 9.1 mit einem ersten Regelventil 5.1 auf.
Der Auslaßkrümmer 10 ist zudem über einen dritten Bypass 9.3 mit der ersten Abgasturbine 3.4 verbunden. Innerhalb des dritten Bypasses 9.3 ist ein drittes Regelventil 5.3 vorgesehen. Die zweite Abgasturbine 3.6 kann somit über den dritten Bypass 9.3 vorzugsweise bzw. wahlweise zu der ersten Abgasturbine 3.4 parallel geschaltet werden.
Die beiden ersten Turbolader 3.1, 3.1' sind hierbei seitlich im Bereich der Auslaßkrümmer 10, 10' und die beiden zweiten Turbolader 3.2, 3.2' sind in Fahrtrichtung gesehen vor der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 angeordnet.
Es ist auch vorgesehen, anstatt der beiden zweiten Turbolader 3.2, 3.2' einen nicht dargestellten gemeinsamen zweiten Turbolader für die erste Zylinderreihe 2.1 und die zweite Zylinderreihe 2.2 anzuordnen.

Claims

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe (2.1, 2.2), denen mindestens zwei Turbolader (3.1, 3.2) mit jeweils einem Ladeluftverdichter (3.3) und einer Abgasturbine (3.4) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Zylinderreihe (2.1) und der zweiten Zylinderreihe (2.2) je ein erster Turbolader (3.1) und je ein zweiter Turbolader (3.2) zugeordnet sind, wobei der erste Turbolader (3.1) größer ausgebildet ist als der zweite Turbolader (3.2).

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) mit mindestens einer ersten und einer zweiten Zylinderreihe (2.1, 2.2), denen mindestens zwei Turbolader (3.1, 3.2) mit jeweils einem Ladeluftverdichter (3.3) und einer Abgasturbine (3.4) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Zylinderreihe (2.1) und der zweiten Zylinderreihe (2.2) je ein erster Turbolader (3.1) und zusammen ein zweiter Turbolader (3.2) zugeordnet sind, wobei der erste Turbolader (3.1) und der zweite Turbolader (3.2) gleich groß sind.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ladeluftverdichter (3.3) und ein zweiter Ladeluftverdichter (3.5) in Reihe geschaltet sind, wobei der zweite Ladeluftverdichter (3.5) einen zweiten Bypass (9.2) mit einem zweiten Regelventil (5.2) aufweist.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abgasturbine (3.4) und eine zweite Abgasturbine (3.6) in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Abgasturbine (3.4) einen ersten Bypass (9.1) mit einem ersten Regelventil (5.1) aufweist.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abgasturbine (3.6) einen dritten Bypass (9.3) mit einem dritten Regelventil (5.3) aufweist.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Motordrehzahlbereich die zweite Abgasturbine (3.6) in Reihe vor der ersten Abgasturbine (3.4) geschaltet und der dritte Bypass (9.3) geschlossen ist.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Motornenndrehzahl die zweite Abgasturbine (3.6) und die erste Abgasturbine (3.4) über den dritten Bypass (9.3) zumindest teilweise parallel geschaltet sind.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Turbolader (3.2) als E-Booster oder elektrischer Verdichter ausgebildet ist.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ladeluftkühler (7) und eine Sauganlage (8) für Ladeluft vorgesehen sind, die innerhalb der beiden Zylinderreihen (2.1, 2.2) angeordnet sind.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Turbolader (3.2) in Fahrtrichtung vor der Zylinderreihe (2.1, 2.2), der erste Turbolader (3.1) seitlich im Auslaßbereich der Zylinderreihe (2.1, 2.2) und der Luftfilter in Fahrtrichtung nach der Zylinderreihe (2.1, 2.2) angeordnet ist.