DE602005000777T2

DE602005000777T2 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE602005000777T2
Application number: DE602005000777T
Authority: DE
Inventors: James William Griffith Wymondham TURNER
Original assignee: Group Lotus PLC
Current assignee: Group Lotus PLC
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2025-01-15
Also published as: US20080216474A1; US7587898B2; WO2005068802A3; ATE358230T1; WO2005068802A2; EP1711699A2; DE602005000777D1; EP1711699B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Turboaufladung.
Es stellt ein technisches Problem dar, einen Motor mit Turboaufladung bereitzustellen, bei dem die Turboaufladung über eine weite Bandbreite von Motordrehzahlen und -lasten effektiv genutzt wird. Es ist wünschenswert, einen Motor bereitzustellen, bei dem sich die Menge der an eine Brennkammer gelieferten turboaufgeladenen Luft und auch der Grad an Verwirbelung und/oder Tumble-Bewegung, der der Luft bei der Abgabe verliehen wird, auf einfache Weise steuern lassen.
US 4 959 961 offenbart eine Vierventil-Brennkraftmaschine mit zwei Turboladern, wobei jedem der beiden Abgas zugeführt wird über ein Auslassventil und Ladeluft über ein Einlassventil. Einer der Turbolader kann abgesperrt werden mittels Schließen des Auslass- und Lufteinlasskanals, mit dem er über das Auslass- und Einlassventil verbunden ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Brennkraftmaschine bereit, mit:
einer Brennkammer;
einem ersten und einem zweiten Einlassventil, die den Strom von Luft in die Brennkammer steuern,
einem ersten und einem zweiten Auslassventil, die den Strom von verbrannten Gasen aus der Brennkammer steuern; und
einem ersten und einem zweiten Turbolader; wobei:
der erste Turbolader mit dem ersten Einlassventil verbunden ist und der zweite Turbolader mit dem zweiten Einlassventil verbunden ist;
Ladeluft, die der Brennkammer über das erste Einlassventil zugeführt ist, nur durch den ersten Turbolader mit Druck beaufschlagt ist;
Ladeluft, die der Brennkammer über das zweite Einlassventil zugeführt ist, nur durch den zweiten Turbolader mit Druck beaufschlagt ist;
der erste Turbolader mit dem ersten Auslassventil verbunden ist und nur über das erste Auslassventil ausgestoßene verbrannte Gase erhält;
der zweite Turbolader mit dem zweiten Auslassventil verbunden ist und alle verbrannten Gase, die über das zweite Auslassventil ausgestoßen werden, zum zweiten Turbolader strömen, ohne den ersten Turbolader zu durchqueren;
eine Ventilbetätigungseinrichtung die Betätigung des ersten Einlassventils und des ersten Auslassventils unabhängig von der Betätigung des zweiten Einlassventils und des zweiten Auslassventils steuert und dadurch eine Änderung des Verhältnisses zwischen der Menge der der Brennkammer über das erste Einlassventil zugeführten Ladeluft und der Menge der der Brennkammer über das zweite Einlassventil zugeführten Ladeluft bereitstellt; und
die Ventilbetätigungseinrichtung durch eine elektrische Steuereinheit zum Ändern der Betätigung der Einlass- und Auslassventile und dadurch der Turbolader unter Berücksichtigung von Veränderungen der Motorbetriebsbedingungen gesteuert wird, wobei die Steuereinheit zwischen verschiedenen Betriebsarten wählen kann, einschließlich:
einer ersten Betriebsart, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung das zweite Einlassventil und das zweite Auslassventil deaktiviert, wodurch sämtliche der Brennkammer zugeführte Ladeluft durch den ersten Turbolader mit Druck beaufschlagt und über das erste Einlassventil geliefert wird; und
einer zweiten Betriebsart, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung zugleich das erste und das zweite Einlassventil sowie das erste und das zweite Auslassventil betätigt, wodurch der Brennkammer zugeführte Ladeluft von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Turbolader mit Druck beaufschlagt und über sowohl das erste als auch das zweite Einlassventil geliefert wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit auch eine dritte Betriebsart auswählen kann, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung das erste Einlassventil und das erste Auslassventil deaktiviert, wodurch sämtliche der Brennkammer zugeführte Ladeluft durch den zweiten Turbolader mit Druck beaufschlagt und über das zweite Einlassventil geliefert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung; und
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein einzylindriger Motor mit einem Zylinder 10 zu sehen, der zwei Einlassventile 11, 12 und zwei Auslassventile 13, 14 aufweist. Jedes der Einlassventile 11, 12 und Auslassventile 13, 14 wird von einem Ventilbetätigungsmechanismus betätigt, der eine Deaktivierung des jeweiligen Ventils erlaubt.
Der Ventilbetätigungsmechanismus könnte ein Schaltmechanismus mit Nockenprofil sein, der eventuell in Verbindung mit einem Nockenverstellmechanismus betrieben wird. Alternativ (und vorzugsweise) umfasst der Ventilbetätigungsmechanismus ein Stellglied (z. B. ein elektrisch gesteuertes hydraulisches Stellglied) für jedes Ventil.
Eine Auslassleitung 15 verbindet das Auslassventil 13 mit einem ersten Turbolader 16. Alle durch die Auslassleitung 15 fließenden Abgase müssen durch den Turbolader 16 fließen, woraufhin sie dann durch eine Auslassleitung 17 fließen, die Gase von einem Auslass des ersten Turboladers 16 zu einem Einlass eines zweiten Turboladers 18 führt. Eine Auslassleitung 19 verbindet das Auslassventil 14 unmittelbar mit dem Turbolader 18, unter völliger Umgehung des Turboladers 16. Alle durch den Turbolader 18 fließenden Gase werden durch einen Auslasskanal 20 und einen Katalysator 21 ins Freie geleitet. Der Turbolader 18 ist ein Niedrigdruck-Turbolader und der Turbolader 16 ein Hochdruck-Turbolader.
Durch den Turbolader 18 mit Druck beaufschlagte Einlassluft wird dem Einlassventil 12 durch eine Einlassleitung 22 zugeführt und tritt auf dem Weg dorthin durch einen Ladeluftkühler 23. Durch den Turbolader 16 mit Druck beaufschlagte Einlassluft wird dem Einlassventil 11 durch eine Einlassleitung 24 zugeführt und tritt auf dem Weg dorthin durch einen Ladeluftkühler 25. Die dem Einlassventil 11 zugeführte Luft ist völlig unabhängig von der dem Einlassventil 12 zugeführten Luft; das Einlassventil 11 wird nur mit Luft versorgt, die von dem Turbolader 18 mit Druck beaufschlagt wurde, und das Einlassventil 12 wird nur mit Luft versorgt, die von dem Turbolader 16 mit Druck beaufschlagt wurde.
Der Motor der 1 ist ein Dieselmotor, und aus diesem Grund ist die Einlassöffnung, die von dem Ventil 12 geöffnet und geschlossen wird, ausgebildet, um der durch sie hindurchströmenden Luft einen hohen Grad an Verwirbelungsbewegung zu verleihen. Die vom Ventil 11 geöffnete und geschlossene Öffnung ist keine Öffnung für „starke Verwirbelung", sondern ist stattdessen ausgebildet, um einen Ladeluftstrom relativ ungehindert hindurch zu lassen.
Bei niedrigen Motordrehzahlen oder -lasten deaktiviert der Ventilbetätigungsmechanismus das Einlassventil 11 und das Auslassventil 13 und betätigt nur das Einlassventil 12 und das Auslassventil 14. Somit fließen keine Abgase durch den Turbolader 16, der unbetätigt bleibt. Der Niedrigdruck-Turbolader 18 wird durch Abgas angetrieben, das an dem Auslassventil 14 vorbei und durch die Auslassleitung 19 fließt. Der Turbolader komprimiert die Luft, die die Einlassleitung 22 entlang, durch den Ladeluftkühler 23 zugeführt und in die Brennkammer 10 über das Einlassventil 12 eingelassen wird, wobei die Einlassöffnung der Ladeluft einen hohen Grad an Verwirbelung verleiht, während diese in den Zylinder 10 gelangt, wo sie komprimiert wird und wo Dieselkraftstoff injiziert und die Maschine durch Kompressionszündung gezündet wird.
Bei hohen Motordrehzahlen und -lasten betätigt der Ventilbetätigungsmechanismus beide Einlassventile 11, 12 und beide Auslassventile 13, 14. Somit werden Abgase den beiden Turboladern 16, 18 zugeführt, welche angetrieben werden, um Ladeluft zu komprimieren, die dann der Brennkammer 10 über beide Einlassventile 11, 12 zugeführt wird. Die den Turbolader 16 verlassenden, verbrannten Gase werden dem Turbolader 18 zugeführt, um das Antreiben des Turboladers 18 zu unterstützen. Die Betätigung der Auslassventile 13, 14 und der Einlassventile 11, 12 kann vorzugsweise von einem Motormanagementsystem gesteuert werden, um für verschiedene Motorbetriebsbedingungen (z. B. Motordrehzahl, -last, Temperatur während einer Beschleunigung, während eines Abbremsens) zu variieren, welcher Prozentsatz der gesamten, dem Zylinder 10 zugeführten Ladeluft über das Einlassventil 10 zugeführt wird und welcher Prozentsatz über das Einlassventil 12 zugeführt wird.
In 2 ist ein Einzylindermotor zu sehen, mit einem Zylinder 30, der zwei Einlassventile 31, 32 und zwei Auslassventile 33, 34 aufweist. Jedes der Ventile wird von einem Ventilerzeugungsmechanismus betrieben, der eine Deaktivierung des jeweiligen Ventils erlaubt, beispielsweise durch einen Schaltmechanismus mit Nockenprofil (eventuell in Kombination mit einem Nockenverstellmechanismus) oder ein Stellglied (eventuell ein elektrohydraulisches Stellglied) für jedes Ventil.
Eine Auslassleitung 35 verbindet das Auslassventil 33 mit einem ersten Turbolader 36. Alle durch die Auslassleitung 35 fließenden Abgase treten durch den Turbolader 36 und dann über einen Katalysator 37 ins Freie. Eine Auslassleitung 38 verbindet das Auslassventil 34 mit einem zweiten Turbolader 39. Alle durch die Auslassleitung 38 fließenden Abgase treten durch den Turbolader 39 und dann über den Katalysator 37 ins Freie. Somit bleibt der Strom von Abgasen durch die Auslassleitung 35 und den Turbolader 36 getrennt vom Abgasstrom durch die Auslassleitung 38 und den Turbolader 39; die Abgase vermischen sich erst am Katalysator 37.
Von dem Turbolader 36 angesaugte Luft wird mit Druck beaufschlagt und dann an das Einlassventil 31 über einen Ladeluftkühler 40 weitergeleitet. Von dem Turbolader 39 angesaugte Luft wird mit Druck beaufschlagt und dann an das Einlassventil 32 über einen Ladeluftkühler 41 weitergeleitet.
Der Motor der 2 kann so betrieben werden, dass nur das Einlassventil 31, das Auslassventil 33 und der Turbolader 36 betätigbar sind, oder so, dass nur das Einlassventil 32, das Auslassventil 34 und der Turbolader 39 betätigbar sind. Der Motor der 2 kann auch so betrieben werden, dass alle Ventile und beide Turbolader arbeiten; vorzugsweise ermöglicht die Steuerung der Ventilbetätigung eine Steuerung, welcher Anteil der dem Zylinder 30 zugeführten Ladeluft über das Einlassventil 31 zugeführt wird und welcher Anteil über das Einlassventil 32 zugeführt wird.
Vorzugsweise sind die Einlassöffnungen, die die Einlassventile 31, 32 umgeben, so gestaltet, dass sie der Ladeluft, die durch sie hindurchtritt, verschiedene Strömungseigenschaften verleihen, beispielsweise könnte es sich bei der einen Öffnung um eine Öffnung starker Verwirbelung und bei der anderen Öffnung um eine Öffnung für starken Tumble oder um eine Füllöffnung handeln.
Die Turbolader 36, 39 könnten identisch sein, wären aber vorzugsweise in aerodynamischer Hinsicht verschieden, so dass beispielsweise der eine Ladeluft bei einem höheren Druck erzeugt als der andere.
Vergleicht man den Motor der 1 mit dem Motor der 2, so ließe sich über den Motor der 1 sagen, dass er Turbolader aufweist, die mit sequentiellen Turbinen und parallelen Verdichtern angeordnet sind, während der Motor der 2 Turbolader aufweist, die mit parallelen Turbinen und parallelen Verdichtern angeordnet sind.
Zwar wurden die Motoren vorstehend als Dieselmotoren beschrieben, doch könnten die Motoren ebensogut Benzinmotoren sein.
Die Verwendung von zwei Turboladern mit verschiedenen Eigenschaften kann den Betrieb der Motoren ohne Waste-Gates bzw. Ladedruckventile für die Turbolader ermöglichen, was die Effizienz verbessert.
Ein Hochdruck-Turbolader weist typischerweise einen kleineren Rotor auf als der Hochdruck-Turbolader und kann schnell auf eine Geschwindigkeit gebracht werden, setzt jedoch dem Strom von Abgasen einen höheren Widerstand entgegen als der Niedrigdruck-Turbolader. Der Hochdruck-Turbolader könnte während des Beschleunigens des Motors eingeschaltet und für einen stationären Betrieb des Motors ausgeschaltet werden. Der Hochdruck-Turbolader gestattet das für eine Beschleunigung wünschenswerte schnelle Ansprechen, während ein Niedrigdruck-Turbolader den für einen stationären Betrieb wünschenswerten niedrigeren Strömungswiderstand erzeugt.
Bei Verwendung von elektrohydraulischen Stellgliedern ist es möglich, den Luftmassenstrom durch den Motor durch Öffnen und Schließen der Einlassventile (oder zumindest des einen betätigten Einlassventils) anhand verschiedener Hubhöhen und Dauer in verschiedenen Einlasstakten des Motors zu steuern.
Der Einfachheit halber wurde die Erfindung lediglich unter Bezugnahme auf Einzylindermotoren beschrieben, es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auf Mehrzylindermotoren anwendbar wäre, wobei in diesem Fall jeder Zylinder ein Auslassventil und ein Einlassventil hätte, die mit einem ersten Turbolader verbunden wären, sowie ein zweites Auslassventil und ein zweites Einlassventil, die mit einem zweiten Turbolader verbunden wären.

Claims

Brennkraftmaschine mit: einer Brennkammer (30); einem ersten (31) und einem zweiten (32) Einlassventil, die den Strom von Luft in die Brennkammer (30) steuern, einem ersten (33) und einem zweiten (34) Auslassventil, die den Strom von verbrannten Gasen aus der Brennkammer (30) steuern; und einem ersten (36) und einem zweiten (39) Turbolader, wobei der erste Turbolader (36) mit dem ersten Einlassventil (31) verbunden ist und der zweite Turbolader (39) mit dem zweiten Einlassventil (32) verbunden ist; Ladeluft, die der Brennkammer (30) über das erste Einlassventil (31) zugeführt wird, nur durch den ersten Turbolader (36) mit Druck beaufschlagt ist; Ladeluft, die der Brennkammer (30) über das zweite Einlassventil (32) zugeführt wird, nur durch den zweiten Turbolader (39) mit Druck beaufschlagt ist; der erste Turbolader (36) mit dem ersten Auslassventil (33) verbunden ist und nur über das erste Auslassventil (33) ausgestoßene verbrannte Gase erhält; der zweite Turbolader (39) mit dem zweiten Auslassventil (34) verbunden ist und alle verbrannten Gase, die über das zweite Auslassventil (34) ausgestoßen werden, zum zweiten Turbolader (39) strömen, ohne den ersten Turbolader (36) zu durchqueren; eine Ventilbetätigungseinrichtung, die die Betätigung des ersten Einlassventils (31) und des ersten Auslassventils (33) unabhängig von der Betätigung des zweiten Einlassventils (32) und des zweiten Auslassventils (34) steuert und dadurch eine Änderung des Verhältnisses zwischen der Menge der der Brennkammer (30) über das erste Einlassventil (31) zugeführten Ladeluft und der Menge der der Brennkammer über das zweite Einlassventil (32) zugeführten Ladeluft bereitstellt; und die Ventilbetätigungseinrichtung durch eine elektrische Steuereinheit zum Ändern der Betätigung der Einlass- (31, 32) und Auslassventile (33, 34) und dadurch der Turbolader (36, 39) unter Berücksichtigung von Veränderungen der Motorbetriebsbedingungen gesteuert wird, wobei die Steuereinheit zwischen verschiedenen Betriebsarten wählen kann, einschließlich: einer ersten Betriebsart, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung das zweite Einlassventil (32) und das zweite Auslassventil (34) deaktiviert, wodurch sämtliche der Brennkammer zugeführte Ladeluft durch den ersten Turbolader (36) mit Druck beaufschlagt und über das erste Einlassventil (31) geliefert wird; und einer zweiten Betriebsart, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung zugleich das erste (31) und das zweite (32) Einlassventil sowie das erste (33) und das zweite (34) Auslassventil betätigt, wodurch der Brennkammer (30) zugeführte Ladeluft von sowohl dem ersten (36) als auch dem zweiten (39) Turbolader mit Druck beaufschlagt und über sowohl das erste (31) als auch das zweite (32) Einlassventil geliefert wird; dadurch gekennzeichnet, dass: die Steuereinheit auch eine dritte Betriebsart auswählen kann, bei der die Ventilbetätigungseinrichtung das erste Einlassventil (31) und das erste Auslassventil (33) deaktiviert, wodurch sämtliche der Brennkammer zugeführte Ladeluft durch den zweiten Turbolader (39) mit Druck beaufschlagt und über das zweite Einlassventil (32) zugeführt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei verbrannte Gase, die den ersten (36) und den zweiten (39) Turbolader verlassen, zum Auspuff weitergeleitet werden, ohne den jeweils anderen Turbolader zu durchqueren.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Einlassventil (31) einer ersten Einlassöffnung zugeordnet ist, die durch sie hindurchströmender Ladeluft eine Strömungseigenschaft verleiht, die sich von einer Strömungseigenschaft unterscheidet, die Ladeluft verliehen wird, welche durch eine dem zweiten Einlassventil (32) zugeordnete Einlassöffnung strömt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei die erste Einlassöffnung der durch sie hindurchströmenden Ladeluft einen Verwirbelungsgrad verleiht, der größer ist als der Verwirbelungsgrad, der der durch die zweite Einlassöffnung strömenden Ladeluft verliehen wird.
Brennkraftmaschine nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Ladeluftkühler (40) zum Kühlen von durch den ersten Turbolader (36) mit Druck beaufschlagter Luft, bevor die Luft über das erste Einlassventil (31) in die Brennkammer (10) strömt, und einen zweiten Ladeluftkühler (41) zum Kühlen von durch den zweiten Turbolader (39) mit Druck beaufschlagter Luft, bevor die Luft über das zweite Einlassventil (32) in die Brennkammer (30) strömt.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Turbolader (36) ein Niedrigdruck-Turbolader und der zweite Turbolader (39) ein Hochdruck-Turbolader ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei die elektrische Steuereinheit die Ventilbetätigungseinrichtung zum Erhöhen des Abgasstroms zum Hochdruck-Turbolader (39) und dadurch des Luftstroms durch den Hochdruck-Turbolader (39) zum zweiten Einlassventil (32) während Beschleunigungsphasen der Brennkraftmaschine steuert.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die elektrische Steuereinheit die Ventilbetätigungseinrichtung bei steigender Motordrehzahl und/oder -last zum Erhöhen des Abgasstroms zum Hochdruck-Turbolader (39) und dadurch des Ladeluftstroms durch den Hochdruck-Turbolader (39) zum zweiten Einlassventil (32) steuert.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ventilbetätigungseinrichtung ein für jedes Einlassventil (31, 32) und jedes Auslassventil (33, 34) individuelles und durch die elektrische Steuereinheit gesteuertes elektrohydraulisches Stellglied aufweist.