DE102005055996A1

DE102005055996A1 - Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102005055996A1
Application number: DE102005055996A
Authority: DE
Inventors: Martin Böhm; Jan Velthuis; Jan Dr. Tribulowski; Werner Verdoorn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-05-31
Also published as: US20070130948A1; US7540151B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine und mindestens zwei Abgasturboladereinrichtungen. Erfindungsgemäß ist zumindest einer Abgasturboladereinrichtung von jedem Zylinder der Brennkraftmaschine mindestens ein Auslassventil zugeordnet, derart, dass der diesem Auslassventil zugeordnete Abgaskanal mit dem Turbinenrad der Abgasturboladereinrichtung verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits verschiedenste Antriebseinrichtungen mit einer Brennkraftmaschine und mindestens zwei Abgasturboladereinrichtungen bekannt. In der Fachzeitschrift MTZ, 5/2005 Jahrgang 66, wird unter dem Titel „Der neue BMW-Sechzylinder-Dieselmotor mit Stufenaufladung" bereits eine Brennkraftmaschine mit zwei in Serie geschalteten Abgasturboladereinrichtungen beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung mit Brennkraftmaschine und mindestens zwei Abgasturboladereinrichtungen zu schaffen, die im Hinblick auf das Ansprechverhalten der Turboladereinrichtungen verbessert ist. Ferner soll die Antriebseinrichtung im Hinblick auf die maximal von ihr erzeugbare Leistung verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen jeden Zylinder der Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Auslassventilen auszubilden, wobei mindestens eines der mindestens zwei Auslassventile als ein Ventil (bzw. Ventiltrieb) mit veränderbarem Hub und/oder veränderbarer Steuerzeit ausgebildet ist. Ferner ist vorgesehen, einer der mindestens zwei Abgasturboladereinrichtungen von jedem Zylinder mindestens ein erstes Auslassventil zuzuordnen und der anderen Abgasturboladereinrichtung von jedem Zylinder mindestens ein anderes, zweites Auslassventil zuzuordnen. Dabei erfolgt die Zuordnung, in dem das zugeordnete Auslassventil jeweils über einen separaten Auslass- und Abgaskanal mit dem Turbinenrad der zugeordneten Abgasturboladereinrichtung verbunden ist.

Pro Zylinder sind demnach eine Mehrzahl von Auslass- bzw. Abgaskanälen vorgesehen.

Vorzugsweise sind insgesamt zwei Abgasturboladereinrichtungen vorhanden, und weist jeder Zylindergenau zwei Auslassventile (ein variabel steuerbares Auslassventil und ein Auslassventil mit festen Hub- und Steuerzeitverläufen) auf, wobei der ersten Abgasturboladereinrichtung das nicht steuerbare Auslassventil jedes Zylinders und der zweiten Abgasturboladereinrichtung das steuerbare Auslassventil eines jeden Zylinders zugeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Abgasturboladereinrichtung als so genannter Twin-Scroll-Lader und die zweite Abgasturboladereinrichtung als so genannter Staudrucklader ausgeführt. Die Abgasturboladereinrichtungen sind bevorzugt verschieden dimensioniert, insbesondere ist die erste Ladereinrichtung für einen niedrigen Drehzahlbereich beziehungsweise einen geringen Volumenstrom über den Verdichter und die zweite Ladereinrichtung für einen den ersten Drehzahlbereich nach oben erweiternden Drehzahlbereich beziehungsweise einen größeren Volumenstrom über den Verdichter ausgebildet. Dabei ist die Motordrehzahl nur indirekt ein Maß für die Unterscheidung der beiden Bereiche. Wesentlich ist hier der über die Verdichter der Abgasturboladereinheit geführte Volumenstrom beziehungsweise der entsprechende Betriebspunkt im Verdichterkennfeld (Volumenstrom über Verdichter über Druckverhältnis über Verdichter). Im Folgenden wird zur Unterscheidung der beiden bereiche vom Volumenstrom über Verdichter gesprochen. Umfasst im Sinne der Erfindung sind allerdings alle Parameter, wie z.B. die Motordrehzahl, die zumindest in Betriebsteilbereichen mit dem Volumenstrom korrelieren.

Zur Steigerung der maximal durch die Brennkraftmaschine erzeugbaren Leistung wird die erste Abgasturboladereinrichtung auf der Ausgangsseite des Turbinenrades mit einer Serienschaltung von Vorkatalysator und Hauptkatalysator verbunden, während die zweite Abgasturboladereinrichtung mit der Ausgangsseite ihres Turbinenrades lediglich auf den Hauptkatalysator geführt ist.

Des Weiteren ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die in einen unteren Volumenstrombereich, bis zu einem vorgegebenen Volumenstromschwellenwert, die steuerbaren Auslassventile derart ansteuert, dass diese sich in einer geschlossenen Position befinden. In diesem unteren Volumenstrombereich wird demnach das aus den Zylinderbrennkammern auszustoßende Abgas ausschließlich über die Auslass- und Abgaskanäle der nicht gesteuerten Auslassventile einer einzigen Abgasturboladereinrichtung zugeführt. Hierdurch wird erreicht, dass im unteren Volumenstrombereich lediglich eine Abgasturboladereinrichtung (insbesondere eine Abgasturboladereinrichtung geringerer Masse, da diese ausschließlich für den unteren Drehzahlbereich ausgelegt ist,) beschleunigt werden muss und sich der Verdichter dieser Ladereinrichtung in einem Kennfeldbereich mit besserem Wirkungsgrad bewegt. Bei Überschreitung des vorgegebenen Volumenstromschwellenwertes, in einem oberen Volumenstrombereich, werden zusätzlich die steuerbaren Auslassventile derart angesteuert, dass auch über deren Auslass- und Abgaskanal ein Teil des auszustoßenden Abgasstroms abgeführt werden kann. Dieser Abgas-Teilstrom wird auf die zweite Abgasturboladereinrichtung geführt. Hierdurch wird erreicht, dass in einem oberen Volumenstrombereich zusätzlich Ansaugluft verdichtet werden und den Zylinderbrennkammern zugeführt werden kann. Die maximale Leistung wird weiter gesteigert, da der Abgasgegendruck aufgrund des nicht vorhandenen Vorkatalysators reduziert wird und somit das mögliche Druckgefälle über die Turbine der Abgasturboladereinrichtung erhöht und der Wirkungsgrad der Verbrennung durch Reduzierung des Restgasanteils verbessert wird.

Durch die Erfindung wird ferner eine Reduzierung von Emissionen erreicht, da die zur Konvertierung erforderliche Katalysatortemperatur nach einem Kaltstart durch Verringerung der aufzuheizenden Massen früher erreicht wird. Während der Katalysatorheizphase ist jeweils das variable Auslassventil der Zylinder geschlossen, so dass der Volumenstrom über nur eine Abgasturboladereinrichtung geführt wird. Die Masse dieser Abgasturboladereinrichtung ist geringer als die eines einzelnen großen Abgasturboladers, der alleine für die gesamte Abgasmasse auch im Nennleistungspunkt ausgelegt sein müsste.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch dargestellt eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung.

Die Antriebseinrichtung umfasst eine Brennkraftmaschine 2, die einlassseitig eine Ansaugvorrichtung 4 mit einem Sammler 4a mit integrierter Drosselklappe 4b aufweist, über die der Brennkraftmaschine 2 Frischluft zugeführt wird, und die auslassseitig eine Abgasvorrichtung 6 aufweist, über die der abzuführende Abgasstrom an die Umgebung abgegeben wird. Ferner sind zwei Abgasturboladereinrichtungen 8a, 8b vorhanden. Jede der Abgasturboladereinrichtungen 8a, 8b weist ein steuerbares Wastegate W_a, W_b auf, um die Ladereinrichtungen vor Überdrehzahl zu schützen und um im Katalysatorheizbetrieb aus akustischen Gründen den Abgasstrom um die Turbine herum zu leiten und so die durch den Antrieb der Turbine entstehenden Geräusche zu reduzieren. Die Brennkraftmaschine 2 weist auslassseitig pro Zylinder zwei Auslassventile 2a, 2b auf, wobei das erste Auslassventil 2a (bzw. Auslassventiltrieb) als nicht steuerbares Ventil (Ventil ist im Hinblick auf seinen Hub und seine Steuerzeiten nicht veränderbar), insbesondere als Ventil, welches über eine hinsichtlich Hub und Steuerzeiten nicht verstellbare Nockenwelle angesteuert wird, ausgebildet ist, und wobei das zweite Auslassventil 2b (bzw. Auslassventiltrieb) als im Hinblick auf seinen Hub und/oder seine Steuerzeiten variierbares Ventil, insbesondere als Ventil mit variierbaren Steuerzeiten und variierbaren Ventilhüben (z.B. Ventil mit elektromagnetisch betätigbarem Ventilantrieb oder als Ventil mit so genannter Valvetronic*-Ventiltechnik (*offizielle BMW-Bezeichnung des variablen BMW-Ventiltriebs)), ausgebildet ist. In einer anderen Ausführung der Erfindung können aber auch beide Auslassventile 2a, 2b als variierbare Auslassventile ausgebildet sein, die entsprechend unterschiedlich angesteuert werden. Wesentlich ist lediglich, dass bei geringeren Ansaugvolumenströmen (bis zu einer vorbestimmten Ansaugvolumenstromschwelle) jeweils ein Auslassventil (bzw. eine Auslassventilgruppe) pro Zylinder geschlossen gehalten wird und der gesamte Abgasstrom über das jeweils andere Auslassventil (bzw. die jeweils andere Auslassventilgruppe) pro Zylinder abgeführt und einer gemeinsamen Abgasturboladereinrichtung zugeführt wird. Auch im Falle des Betriebszustands Katalysatorheizen wird auf diese Weise der gesamte Abgasstrom über Vor- und Hauptkatalysator geführt.

Im Unterschied zu herkömmlichen Abgasanlagen, bei denen die Auslasskanäle (Auslassöffnung im Zylinder, die von dem Auslassventil freigegeben bzw. verschlossen wird) aller Auslassventile gemeinsam über einen Abgaskanal (insbesondere Abgaskrümmer) geleitet werden, sind beim Gegenstand der Erfindung mindestens zwei getrennte Abgaskanäle 6a, 6b pro Zylinder vorhanden. Der Auslasskanal des ersten Auslassventils 2a ist mit dem einen Abgaskanal 6a und der Auslasskanal des zweiten Auslassventils 2b mit dem anderen Abgaskanal 6b verbunden. Die Abgaskanäle 6a, 6b, die jeweils mit Auslassventilen 2a, 2b gleicher Wirkungsweise verbunden sind, werden in einen gemeinsamen Abgaskanalteil zusammengeführt und jeweils einer Abgasturboladereinrichtung 8a, 8b zugeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Brennkraftmaschine 2 mit sechs einzelnen Zylindern dargestellt. Dabei ist der Auslasskanal des ersten Auslassventils 2a eines jeden Zylinders jeweils über einen separaten Abgaskanal 6a geführt und mit der Turbine T_a der ersten Abgasturboladereinrichtung 8a verbunden. Der Auslasskanal des zweiten Auslassventils 2b eines jeden Zylinders ist jeweils über einen anderen separaten Abgaskanal 6b geführt und mit der Turbine 8_b der zweiten Abgasturboladereinrichtung 8b verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Auslassventile 2a der Zylinder in zwei Gruppen zu je drei Auslassventilen 2a zusammengefasst und jede Gruppe über einen eigenen Abgaskanal 6a der ersten Abgasturboladergruppe 8a zugeführt.

Die erste Abgasturboladereinrichtung 8a ist bevorzugt als Twin-Scroll-Lader für niedrige Drehzahlen und damit geringe Ansaugvolumenströme ausgebildet, während die zweite Abgasturboladereinrichtung 8b als Staudrucklader für größere Ansaugvolumenströme ausgebildet ist. Die Abgaskanäle 6a, die den nicht variierbaren Auslassventilen 2a zugeordnet sind, werden auf die erste Turboladereinrichtung 8a geführt, während die Abgaskanäle, die den variierbaren Auslassventilen 2b zugeordnet sind auf die zweite Abgasturboladereinrichtung 8b geführt werden. Ausgangsseitig ist die Turbine T_a der ersten Abgasturboladereinrichtung 8a über eine Serienschaltung eines Vorkatalysators 10 und eines Hauptkatalysators 12 mit der Umgebung verbunden. Die Turbine T_b der zweiten Abgasturboladereinrichtung 8b ist lediglich unter Umgehung des Vorkatalysators 10, angekoppelt zwischen dem Vorkatalysator 10 und dem Hauptkatalysator 12, über den Hauptkatalysator 12 mit der Umgebung verbunden.

Zur Verdichtung der angesaugten Frischluft ist sowohl die erste Abgasturboladereinrichtung 8a mit ihrem Verdichter V_a als auch die zweite Abgasturboladereinrichtung 8b mit ihren Verdichter V_b zwischen einem gemeinsamen Ansauggeräuschdämpfer AGD und dem gemeinsamen Sammler 4a im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner vor dem Sammler 4a ein gemeinsamer Ladeluftkühler LLK angeordnet.

Ferner ist eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung der steuerbaren Auslassventile 2b vorhanden. Die Steuereinheit 10 steuert die steuerbaren Auslassventile 2b in Abhängigkeit von dem Ansaugvolumenstrom der Brennkraftmaschine 2 an. Unterhalb einer vorbestimmten Ansaugvolumenstromgrenze werden die steuerbaren Auslassventile 2b in einer den zugehörigen Abgaskanal 6b verschließenden Position (Schließstellung) gehalten, während mit Erreichen und oberhalb der vorbestimmten Ansaugvolumenstromgrenze M_{_Grenz} (Drehzahl n_{_Grenz}) die steuerbaren Auslassventile 2b gemäß einer Lastvorgabe zwischen geöffneter und geschlossener Position hin und herbewegt werden.

Gemäß Anspruch 11 umfasst die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung wie sie vorstehend beschrieben wurde.

Claims

Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine (2), wobei jeder Zylinder mindestens zwei Auslassventile (2a, 2b) aufweist, wobei zumindest eines der mindestens zwei Auslassventile (2a; 2b) im Hinblick auf seinen Hub und/oder seine Steuerzeiten variabel steuerbar ist, und – mindestens zwei Abgasturboladereinrichtungen (8a, 8b), dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest einer Abgasturboladereinrichtung (8a; 8b) von jedem Zylinder mindestens ein Auslassventil (2a; 2b) zugeordnet ist derart, dass der diesem Auslassventil (2a; 2b) zugeordnete Abgaskanal (6a; 6b) mit dem Turbinenrad (T_a; T_b) der Abgasturboladereinrichtung (8a; 8b) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anderen Abgasturboladereinrichtung (8b; 8a) von jedem Zylinder mindestens ein anderes Auslassventil (2b; 2a) zugeordnet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasturboladereinrichtung (8a, 8b) als Twin-Scroll-Lader ausgebildet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasturboladereinrichtung (8b; 8a) als Staudrucklader ausgebildet ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturboladereinrichtungen (8a, 8b) für unterschiedliche Drehzahlbereiche ausgelegt sind.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Auslassventile (2a, 2b) pro Zylinder vorhanden sind, wobei ein erstes Auslassventil (2a) im Hinblick auf seinen Hub und/oder seine Steuerzeiten nicht veränderbar ausgebildet ist und ein zweites Auslassventil (2b) im Hinblick auf seinen Hub und/oder seine Steuerzeiten veränderbar ausgebildet ist.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das variabel steuerbare Auslassventil (2b) über einen Auslass- und Abgaskanal (6b) auf das Turbinenrad (8b) der, insbesondere als Staudrucklader ausgeführten Abgasturboladereinrichtung (8b) wirkt und das nicht steuerbare Auslassventil (2a) über einen Auslass- und Abgaskanal (6b) auf das Turbinenrad (T_b) der, insbesondere als Twin-Scroll-Lader ausgeführten Abgasturboladereinrichtung (8a) wirkt.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Abgasturboladereinrichtung (8b) auf ihrer Abgasseite ausgangsseitig mit einer einzigen Katalysatoreinrichtung (K2) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Abgasrturboladereinrichtung (8a) auf ihrer Abgasseite ausgangsseitig mit einer aus mindestens zwei in Serie geschalteten Katalysatoreinrichtungen (K1, K2) verbunden ist, wobei die letztere der in Serie geschalteten Katalysatoreinrichtungen die ist, welche bereits mit der einen Abgasturboladereinrichtung (8b) verbunden ist.
Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (10) zur Steuerung der steuerbaren Auslassventile (2b), wobei die Steuereinheit (10) derart ausgebildet ist, dass die steuerbaren Auslassventile (2b) unterhalb einer vorbestimmten Ansaugvolumenstromgrenze (M_{_Grenz}) in einer geschlossenen Position gehalten werden.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche.