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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit zumindest zwei Zylindergruppen, mit zweistufiger Aufladung mit zumindest einem ersten Abgasturbolader mit einem ersten Verdichter und einem zweiten Abgasturbolader mit einem zweiten Verdichter, wobei erster und zweiter Verdichter in einem Einlassstrang hintereinander geschaltet sind, wobei zwischen erstem und zweitem Verdichter ein erster Ladeluftkühler und stromabwärts des zweiten Verdichters zumindest ein zweiter Ladeluftkühler angeordnet ist.
Insbesondere bei grossen Diesel-Brennkraftmaschinen ist es bekannt, eine mehrstufige Aufladung durchzuführen, wobei nicht nur zwischen der letzten Verdichterstufe und der Brennkraftmaschine, sondern auch zwischen den beiden Verdichterstufen eine Kühlung der Ladeluft durchgeführt wird,
um zum Beispiel unzulässig hohe Verdichtungsendtemperaturen in einer Verdichtungsstufe zu vermeiden und/oder um die erforderliche Antriebsleistung des stromabwärts angeordneten Verdichters abzusenken, bzw. diesen in einen bezüglich des Wirkungsgrades und allfällig limitierender Betriebsgrenzen günstigeren Kennfeldbereich zu betreiben. Bei bekannten Anwendungen sind die Kühlnetze starr ihren bestimmten Funktionen zugeordnet und müssen bezüglich ihrer Grösse die jeweiligen Aufwendungen entsprechend dimensioniert sein.
Aus der JP 03-194122 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, wobei dem Verdichterteil im Abgasturbolader im Eingangsstrang ein umgehbarer mechanischer Verdichter nachgeschaltet ist.
Stromabwärts des mechanischen Verdichters ist ein Ladeluftkühler angeordnet.
Die WO 99/01656 AI beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem umgehbaren mechanischen Verdichter, welcher stromaufwärts des Verdichters eines Abgasturboladers im Einlassstrang angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers ist ein Ladeluftkühler angeordnet.
Die DE 10 2004 051 486 AI offenbart eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit zwei jeweils aus einer Turbine und einem Verdichter bestehenden Abgasturboladern, wobei wenigstens zeitweise der zweite Abgasturbolader während des Betriebs zusätzlich zu dem ersten Abgasturbolader betrieben wird. Der zweite Abgasturbolader wird abgeschaltet, wenn der Beitrag seines Verdichters zum Ladedruck unter eine vorgegebene Grenze fällt.
Der Ladeluftkühler ist stromabwärts des Verdichters des zweiten Abgasturboladers angeordnet. _ 9 - ** *<>*
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art hohe Kühlraten bei geringen Druckverlusten und kürzesten Strömungswegen zu erreichen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der zweite Verdichter umgehbar ist, wobei vorzugsweise ein Umgehungsströmungsweg zwischen erstem Ladeluftkühler und dem zweiten Verdichter vom Einlassstrang abzweigt und zwischen dem zweiten Verdichter und dem zweiten Ladeluftkühler in den Einlassstrang einmündet.
Durch zumindest ein Strömungsschaltventil können erster und zweiter Ladeluftkühler verschieden verschaltet werden.
Je nach betrieblicher Erfordernis wird der erste Ladeluftkühler entweder zur Zwischenkühlung und der zweite Ladeluftkühler zur abschliessenden Kühlung der im zweiten Verdichter weiter verdichteten Ladung, oder - bei Betrieb in Kennfeldbereich mit sehr hohen Durchsätzen, welche die Förderkapazität des zweiten Verdichters überfordern würde - als zusätzlicher Kühler der vom ersten Verdichter alleine komprimierten Ladung eingesetzt, wobei die durch den ersten Verdichter alleine komprimierte Ladung unter Nutzung sämtlicher Kühler rückgekühlt wird. Das Strömungsschaltventil verbindet die Strecke zwischen dem Austritt des ersten Ladeluftkühlers und dem Eintritt des zweiten Verdichters mit der Strecke zwischen dem Austritt des zweiten Verdichters und dem Eintritt des zweiten Ladeluftkühlers.
Dabei kann vorgesehen sein, dass pro Zylindergruppe ein zweiter Ladeluftkühler vorgesehen ist, wobei vorzugsweise pro Zylindergruppe ein zweiter Verdichter vorgesehen ist.
Zwecks Nutzung gasdynamischer Schwingungen zur Erhöhung des Liefergrades bei bestimmten Drehzahlen kann weiters vorgesehen sein, dass die zweiten Ladeluftkühler jeweils in einem Einlasssammler angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Einlasssammler durch zumindest eine Resonanzklappe miteinander schaltbar verbunden sind.
Um bei Lastwechsel und Schliessen der Drosselklappe beim Otto-Motor beim Gangwechsel ein Pumpen des zweiten Verdichters zu vermeiden, ohne ein gesondertes Bypass-Ventil am zweiten Verdichter zu benötigen, kann das Strömungsschaltventil kurzzeitig derart geöffnet, dass Saug- und Druckseite des zweiten Verdichters kurzgeschlossen werden.
Eine sehr kompakte Bauweise ist möglich,
wenn die ersten und/oder zweiten Ladeluftkühler im V-Raum zwischen den Zylindergruppen angeordnet sind, wobei vorzugsweise die zweiten Ladeluftkühler über dem ersten Ladeluftkühler angeordnet sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn erste und zweite Ladeluftkühler und vorzugsweise auch zumindest ein Strömungsschaltventil in einem gemeinsamen Gehäuse und/oder in einer zusammenhängenden Baugruppe vereinigt sind. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass erste und zweite Ladeluftkühler in getrennten Baugruppen angeordnet sind.
Um die Strömungswege möglichst kurz zu halten, ist im Rahmen der Erfindung weiters vorgesehen, dass der Ein- und der Austritt des zweiten Verdichters unmittelbar am ersten und/oder zweiten Ladeluftkühler, vorzugsweise unter Zwischenschaltung zumindest eines Strömungsschaltventils, angeschlossen ist, und dass der erste Verdichter über zumindest eine Rohrleitung mit dem ersten Ladeluftkühler verbunden ist.
Alternativ dazu ist es auch möglich, dass der Austritt des ersten Verdichters direkt an den ersten Ladeluftkühler angeschlossen ist und dass zumindest ein zweiter Verdichter über zumindest eine Rohrleitung mit dem ersten und/oder zweiten Ladeluftkühler, vorzugsweise unter Zwischenschaltung zumindest eines Strömungsschaltventils, verbunden ist.
Der zweite Ladeluftkühler ist vorzugsweise zumindest einer gasdynamisch aktiven Rohrleitung des Einlassstranges nachgeschaltet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen schematisch Fig. 1 einen Einlassstrang einer erfindungsgemässen Brennkraftmaschine, Fig. 2 eine Brennkraftmaschine in einem Schnitt quer zur Kurbelwellenachse und Fig.
3 bis 6 die Brennkraftmaschine in Draufsichten.
Eine Brennkraftmaschine 1 mit V-förmig angeordneten Zylindergruppen la, lb weist zumindest einen ersten Abgasturbolader 2 und zumindest einen zweiten Abgasturbolader 3 auf, wobei der erste Verdichter 4 des ersten Abgasturboladers 2 und der zweite Verdichter 5 des zweiten Abgasturboladers 3 im Einlassstrang hintereinander geschaltet sind. Zwischen dem ersten Verdichter 4 und dem zweiten Verdichter 5 ist ein erster Ladeluftkühler 7 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Verdichters 5 befindet sich im Einlassstrang 6 zumindest ein zweiter Ladeluftkühler 8.
Zwischen dem ersten Ladeluftkühler 7 und dem Eintritt 5a des zweiten Verdichters 5 zweigt ein Umgehungsströmungsweg 9 von einem ersten Leitungsabschnitt 6a des Einlassstranges 6 ab und mündet zwischen dem Austritt 5b des Verdichters 5 und dem zweiten Ladeluftkühler 8 in einen zweiten Leitungsabschnitt 6b des Einlassstranges 6 ein. Über den Umgehungsströmungsweg 9 kann der zweite Verdichter 5 umgangen werden, wobei zur Umgehung zumindest ein Strömungsschaltventil 10 vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel weist das Strömungsschaltventil 10 zwei Schaltklappen 10a, 10b im Bereich des Eintrittes 9a bzw. Austrittes 9b des Umgehungsströmungsweges 9 auf, welche gemeinsam über einen Aktuator 10c betätigbar sind.
Diese Anordnung erlaubt durch eine entsprechende Verschaltung eine variable zusätzliche Nutzung des ersten Ladeluftkühlers 7 als zusätzlichen Kühler in Serie zum zweiten Ladeluftkühler 8, sobald zum Beispiel der kleinere zweite Verdichter 5 in einem Leistungsbereich umgangen wird. Damit ist eine Verbesserung der Kühlleistung mit relativ kleinen einzelnen Kühlnetzen und kürzest möglichen Strömungswegen möglich. Durch entsprechende Betätigung des Strömungsschaltventils 10 ist ausserdem auch die kurzzeitige Umgehung des zweiten Verdichters 5 im instationären Motorbetrieb (z.B. zum Vermeiden des Verdichterpumpens beim Schaltvorgang bei einem Otto-Motor) ohne zusätzliche Strömungsschaltventile am Gehäuse des Verdichters 5 oder an anderer Stelle der Sauganlage möglich.
Erster und zweiter Ladeluftkühler 7, 8 können in einem gemeinsamen Gehäuse
11 angeordnet werden.
Weiters ist, insbesondere bei V-Brennkraftmaschinen, eine direkte Verblockung des Gehäuses 11 mit dem ersten Verdichter 5 oder dem zweiten Verdichter 4 möglich.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, können erster und zweiter Ladeluftkühler 7, 8 besonders platzsparend im V-Raum 14 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet werden, wobei pro Zylindergruppe la, lb ein zweiter Ladeluftkühler 8 vorgesehen sein kann. Die zweiten Ladeluftkühler 8 können in Saugsammlern 15a, 15b untergebracht werden, welche - besonders vorteilhaft - durch eine Resonanzklappe
12 schaltbar verbunden sein können, um gasdynamische Schwingungen zur Erhöhung des Liefergrades bei bestimmten Drehzahlen auszunutzen.
Die Anordnung des zweiten Ladeluftkühlers erfolgt einer gasdynamischen Rohrleitung nachgeschaltet, so dass eine Rückkühlung der aus der gasdynamischen Verdichtung resultierenden Temperaturerhöhung bewirkt wird.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen einzelne Phasen der Luftzuströmung einer Ausführungsvariante der Brennkraftmaschine 1. Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, strömt die durch die Pfeile L angedeutete Luft über einen Luftfilter 13 im Bereich des V-Raumes der V-Brennkraftmaschine zum ersten Verdichter 4 des ersten Abgasturboladers 2. Mit den Pfeilen A ist der Strömungsweg des Abgases angedeutet.
Die verdichtete Luft verlässt den ersten Verdichter 4 und gelangt in den ersten Ladeluftkühler 7, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Danach strömt die Luft L in den zweiten Verdichter 5 des zweiten Abgasturboladers 3, wird weiter verdichtet und gelangt in den in Fig. 5 schematisch dargestellten zweiten Ladeluftkühler 8. Nach Passieren des zweiten Ladeluftkühlers 8 wird die Luft L den einzelnen Zylindern 16 zugeführt, wie in den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist. Über die Resonanzklappen 12 können die beiden Einlasssammler 15a, 15b miteinander strömungsverbunden werden. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, wird die Luft L bei geöffneten Strömungsschaltventilen 10 am zweiten Verdichter 5 vorbeigeleitet und vom ersten Ladeluftkühler 7 direkt dem zweiten Ladeluftkühler 8 zugeführt.
Die beschriebene Ausführung erlaubt eine kompakte und kostengünstige Bauweise und eine verbesserte Kühlung der Ladeluft.
Speziell bei Betrieb mit hohen Luftdurchsätzen werden die Strömungslängen und folglich die Druckveriuste auf ein Minimum reduziert.
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The invention relates to an internal combustion engine, in particular with at least two cylinder groups, with two-stage supercharging with at least a first exhaust gas turbocharger with a first compressor and a second exhaust gas turbocharger with a second compressor, wherein the first and second compressor are connected in series in an inlet strand, wherein between the first and second Compressor, a first intercooler and downstream of the second compressor, at least a second intercooler is arranged.
Particularly in the case of large diesel internal combustion engines, it is known to carry out a multistage charge, wherein cooling of the charge air is carried out not only between the last compressor stage and the internal combustion engine but also between the two compressor stages.
for example, to avoid impermissibly high compression end temperatures in a compression stage and / or to lower the required drive power of the downstream compressor, or to operate this in a favorable with respect to the efficiency and possibly limiting operating limits map area. In known applications, the cooling networks are rigidly assigned to their specific functions and must be sized according to their size, the respective expenses.
From JP 03-194122 A an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger is known, wherein the compressor part in the exhaust gas turbocharger in the input line, a bypassable mechanical compressor is connected downstream.
Downstream of the mechanical compressor, a charge air cooler is arranged.
WO 99/01656 AI describes an internal combustion engine with a bypassable mechanical compressor, which is arranged upstream of the compressor of an exhaust gas turbocharger in the inlet line. Downstream of the compressor of the exhaust gas turbocharger, a charge air cooler is arranged.
DE 10 2004 051 486 AI discloses a multi-cylinder internal combustion engine with two each consisting of a turbine and a compressor exhaust gas turbochargers, wherein at least temporarily the second exhaust gas turbocharger is operated during operation in addition to the first exhaust gas turbocharger. The second exhaust gas turbocharger is switched off when the contribution of its compressor to the boost pressure falls below a predetermined limit.
The charge air cooler is arranged downstream of the compressor of the second exhaust gas turbocharger. _ 9 - ** * <> *
The object of the invention is to achieve high cooling rates at low pressure losses and shortest flow paths in an internal combustion engine of the type mentioned.
According to the invention, this is achieved in that the second compressor can be bypassed, wherein preferably a bypass flow path between the first charge air cooler and the second compressor branches off from the intake branch and opens into the intake branch between the second compressor and the second charge air cooler.
By at least one flow switching valve first and second intercooler can be connected differently.
Depending on the operational requirement of the first intercooler is either for intercooling and the second intercooler for final cooling of the second compressor further compressed charge, or - when operating in map area with very high flow rates, which would overwhelm the delivery capacity of the second compressor - as an additional cooler The charge compressed by the first compressor alone is recooled, with the charge compressed by the first compressor alone being recooled using all the coolers. The flow switching valve connects the distance between the outlet of the first charge air cooler and the inlet of the second compressor with the distance between the outlet of the second compressor and the inlet of the second charge air cooler.
It can be provided that per cylinder group, a second charge air cooler is provided, preferably per cylinder group, a second compressor is provided.
For the purpose of using gas-dynamic oscillations to increase the delivery rate at certain speeds, it may further be provided that the second charge air coolers are respectively arranged in an intake manifold, wherein preferably the intake manifolds are connected to each other in a switchable manner by at least one resonance flap.
In order to avoid pumping of the second compressor during load changes and closing of the throttle valve in the Otto engine when changing gears, without needing a separate bypass valve on the second compressor, the flow switching valve can be opened briefly so that the suction and pressure side of the second compressor are short-circuited ,
A very compact design is possible
when the first and / or second charge air coolers are arranged in the V space between the cylinder groups, wherein preferably the second charge air coolers are arranged above the first charge air cooler. It is particularly advantageous if the first and second intercoolers and preferably also at least one flow switching valve are combined in a common housing and / or in a contiguous assembly. Alternatively, it is also possible that first and second intercoolers are arranged in separate modules.
In order to keep the flow paths as short as possible, it is provided within the scope of the invention that the inlet and outlet of the second compressor is connected directly to the first and / or second charge air cooler, preferably with the interposition of at least one flow switching valve, and that the first compressor is connected via at least one pipe to the first charge air cooler.
Alternatively, it is also possible that the outlet of the first compressor is connected directly to the first intercooler and that at least a second compressor via at least one pipe to the first and / or second intercooler, preferably with the interposition of at least one flow switching valve is connected.
The second charge air cooler is preferably connected downstream of at least one gas-dynamically active pipeline of the intake line.
The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.
1 shows an inlet branch of an internal combustion engine according to the invention, FIG. 2 shows an internal combustion engine in a section transverse to the crankshaft axis and FIG.
3 to 6, the internal combustion engine in plan views.
An internal combustion engine 1 with V-shaped arranged cylinder groups la, lb has at least a first exhaust gas turbocharger 2 and at least a second exhaust gas turbocharger 3, wherein the first compressor 4 of the first exhaust gas turbocharger 2 and the second compressor 5 of the second exhaust gas turbocharger 3 are connected in series in the inlet train. Between the first compressor 4 and the second compressor 5, a first intercooler 7 is arranged. Downstream of the second compressor 5, there is at least one second charge air cooler 8 in the intake branch 6.
Between the first charge air cooler 7 and the inlet 5a of the second compressor 5, a bypass flow path 9 branches off from a first line section 6a of the inlet line 6 and ends between the outlet 5b of the compressor 5 and the second charge air cooler 8 into a second line section 6b of the inlet line 6. About the bypass flow path 9, the second compressor 5 can be bypassed, at least one flow switching valve 10 is provided for bypassing. In the exemplary embodiment, the flow switching valve 10 has two switching flaps 10a, 10b in the region of the inlet 9a and outlet 9b of the bypass flow path 9, which can be actuated jointly via an actuator 10c.
This arrangement allows through a corresponding interconnection a variable additional use of the first intercooler 7 as an additional radiator in series with the second intercooler 8, as soon as, for example, the smaller second compressor 5 is bypassed in a power range. This makes it possible to improve the cooling capacity with relatively small individual cooling networks and the shortest possible flow paths. By appropriate actuation of the flow switching valve 10 is also the short-term bypassing of the second compressor 5 in transient engine operation (for example, to avoid the compressor pumping during the switching operation in a gasoline engine) without additional flow switching valves on the housing of the compressor 5 or elsewhere in the intake system possible.
First and second intercooler 7, 8 can in a common housing
11 are arranged.
Furthermore, a direct blocking of the housing 11 with the first compressor 5 or the second compressor 4 is possible, in particular in V-type internal combustion engines.
As shown in FIG. 2, first and second intercoolers 7, 8 can be arranged in a particularly space-saving manner in the V-space 14 of the internal combustion engine 1, it being possible to provide a second intercooler 8 per cylinder group 1a, 1b. The second charge air cooler 8 can be accommodated in suction collectors 15a, 15b, which - particularly advantageous - by a resonance flap
12 can be connected switchable to exploit gas dynamic vibrations to increase the degree of delivery at certain speeds.
The arrangement of the second intercooler is followed by a gas-dynamic pipe downstream, so that a re-cooling of the resulting from the gas-dynamic compression temperature increase is effected.
3 to 6 show individual phases of the air inflow of a variant of the internal combustion engine 1. As can be seen in Fig. 3, the air indicated by the arrows L flows through an air filter 13 in the region of the V-space of the V-engine to the first compressor 4 of the first exhaust gas turbocharger 2. The arrows A, the flow path of the exhaust gas is indicated.
The compressed air leaves the first compressor 4 and enters the first charge air cooler 7, as shown in Fig. 4.
Thereafter, the air L flows into the second compressor 5 of the second exhaust gas turbocharger 3, is further compressed and enters the second intercooler 8 shown schematically in Fig. 5. After passing through the second intercooler 8, the air L is supplied to the individual cylinders 16, as in Figs. 5 and 6 can be seen. The two intake manifolds 15a, 15b can be fluidly connected to one another via the resonance flaps 12. As shown in FIG. 6, the air L is guided past the second compressor 5 when the flow switching valves 10 are open and fed directly from the first charge air cooler 7 to the second charge air cooler 8.
The embodiment described allows a compact and cost-effective design and improved cooling of the charge air.
Especially when operating with high air flow rates, the flow lengths and consequently the pressure losses are reduced to a minimum.