AT515544A4 - Verfahren zum betreiben einer einen abgasstrang aufweisenden brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Auslasssystem (4) aufweisenden Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines Gasmotors, wobei ein erster Abgasteilstrom (7) durch eine erste Abgasturbine (8) eines ersten Abgasturboladers (9)und ein zweiter Abgasteilstrom (7) durch eine zweite Abgasturbine (12) geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine (8, 12) parallel vom Abgas durchströmt werden, wobei der zweite Abgasteilstrom (7) gesteuert wird. Um die gesamte Leistung einer Brennkraftmaschine auf möglichst einfache und effiziente Weise regeln, ist vorgesehen, dass in zumindest einem Motorbetriebbereich der zweite Abgasteilstroms (7) durch die zweite Abgasturbine (12) geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Abgasstrangaufweisenden Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, wobei ein ersterAbgasteilstrom durch eine erste Abgasturbine eines ersten Abgasturboladers undein zweiter Abgasteilstrom durch eine zweite Abgasturbine geleitet wird und dieerste und zweite Abgasturbine parallel vom Abgas durchströmt werden, wobei derzweite Abgasteilstrom gesteuert wird.
Aus der EP 2 087 222 Bl ist eine Brennkraftmaschine mit einem erstenAbgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader bekannt, wobei ein ersterAbgasteilstrom durch eine erste Abgasturbine eines ersten Abgasturboladers undein zweiter Abgasteilstrom durch eine zweite Abgasturbine eines zweitenAbgasturboladers geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine parallel vomAbgas durchströmt werden. Die zweite Abgasturbine ist dabei in einerAbgasrückführleitung angeordnet und weist eine variable Turbinengeometrie auf.Die Strömung des rückgeführten Abgases wird durch Veränderung der Geometrieder zweiten Abgasturbine geregelt.
Weiters ist aus der US 6,324,846 Al eine Brennkraftmaschine mit mehrerenAbgasturboladern bekannt, wobei zwei Abgasturbinen in Abgasstranghintereinander angeordnet sind. Die Brennkraftmaschine weist eineAbgasrückführleitung auf, in welchem die Abgasturbine eines weiterenAbgasturboladers angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbrennung einer Brennkraftmaschine aufmöglichst einfache Weise zu regeln.
Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, in zumindest einem Motorbetriebbereich dieBrennkraftmaschine durch Steuern des zweiten Abgasteilstroms durch die zweiteAbgasturbine geregelt wird.
Die zweite Abgasturbine ist dabei als Nutzturbine ("Power Turbine") ausgebildet,welche entweder mechanisch mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschineverbunden ist oder eine Pumpe zur Förderung eines Betriebsmediums antreibt oderwelche mit einem Generator verbunden ist und zur elektrischen Energieerzeugungdient.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Volllastbetriebsbereich der zweiteAbgasteilstrom hinsichtlich der angepeilten Zielleistung und der ersteAbgasteilstrom hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrades des erstenAbgasturboladers geregelt wird, wobei besonders vorzugsweise das Verhältnis desersten Abgasteilstroms zum zweiten Abgasteilstrom geregelt wird.
Weiters kann in zumindest einem Teillastbetriebsbereich der erste Abgasteilstromhinsichtlich der angepeilten Zielleistung geregelt werden.
Kommt es zu einer plötzlichen Lasterhöhung so wird der zweite Abgasteilstromzuerst gedrosselt oder unterbrochen bis die Ziellast erreicht wird und danachallmählich wieder erhöht, bis die Zielleistung beim vorliegenden Lastniveau erreichtwird, wobei vorzugsweise der erste Abgasteilstrom hinsichtlich des optimalenWirkungsgrades des ersten Abgasturboladers geregelt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung des ersten bzw. zweitenAbgasteilstroms durch Verstellen der Turbinengeometrie der ersten bzw. zweitenAbgasturbine oder durch Betätigen eines Bypassventils der ersten bzw. zweitenAbgasturbine erfolgt.
Insbesondere bei nicht variabler Turbinengeometrie der zweiten Abgasturbine kanndie Steuerung der Durchflussmenge des zweiten Abgasteilstroms eines -vorzugsweise stromaufwärts der zweiten Abgasturbine angeordneten - Regelventilserfolgen.
Die Erfindung kommt bevorzugt bei Brennkraftmaschinen mit Hochdruck-Abgasrückführsystemen zur Anwendung, wobei stromaufwärts des ersten und/oderzweiten Abgasteilstroms vom Abgasstrang abgezweigt und in einen Einlassstromder Brennkraftmaschine, vorzugsweise hochdruckseitig, rückgeführt wird. BeiAbgasrückführung wird der erste Abgasteilstrom so geregelt, dass der für dengewünschten Betriebspunkt angeforderte Ladedruck durch einen mit dem erstenAbgasturbolader mechanisch verbundenen ersten Verdichter des erstenAbgasturboladers erzeugt wird und der zweite Abgasteilstrom so geregelt wird, dassein mit der zweiten Abgasturbine mechanisch verbundener und in derAbgasrückführleitung angeordneter zweiter Verdichter eine Hochdruck-Abgasrückführung ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert.
Es zeigen schematisch Fig. 1 und 2 Brennkraftmaschinen zur Durchführung deserfindungsgemäßen Verfahrens.
Die in den Fig. jeweils gezeigte - beispielsweise mit Gas betriebene -Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Zylinder 2, ein Einlasssystem 3 für einenEinlassstrom und ein Auslasssystem 4 für einen Abgasstrom auf. Stromabwärtseines Abgassammlers 5 wird der Abgasstrom in einen ersten Abgasteilstrom 6 undeinen zweiten Abgasteilstrom 7 aufgeteilt, wobei im ersten Abgasteilstrom 6 eineerste Abgasturbine 8 eines ersten Abgasturboladers 9 angeordnet ist, dessen ersterVerdichter 10 im Einlassstrang 11 des Einlasssystems 3 angeordnet ist. Im zweitenAbgasteilstrom 7 ist eine zweite Abgasturbine 12 (Nutzturbine, Power Turbine))angeordnet, deren Abtriebswelle 13 mechanisch mit der Brennkraftmaschine 1, miteinem nicht weiter dargestellten weiteren Verdichter, einer Pumpe oder einemGenerator zur Leistung von Arbeit verbunden sein kann.
Die erste Abgasturbine 8 und/oder die zweite Abgasturbine 12 können jeweils einevariable Turbinengeometrie aufweisen oder über ein nicht weiter dargestelltesBypassventil (Waste Gate) umgehbar sein. Insbesondere im Falle einer nichtvariablen Turbinengeometrie kann zumindest der zweiten Abgasturbine 12 einRegelventil vorgeschaltet sein, welches in den Fig. mit Bezugszeichen 18 bezeichnetist. Das Regelventil 18 ist bei nicht variabler Turbinengeometrie notwendig, aberauch bei variabler Turbinengeometrie vorteilhaft.
Die in Fig. 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 unterscheidet sich von Fig. 1dadurch, dass zwischen dem Abgassystem 4 und dem Einlasssystem 3 weiters nochein (Hochdruck-)Abgasrückführsystem 14 angeordnet ist. Ein mit der Abtriebswelle13 verbundener zweiter Verdichter 15 eines zweiten Abgasturboladers 16 ist in derAbgasrückführleitung 17 des Abgasrückführsystems 14 angeordnet.
Das aus dem Abgassammler 5 austretende Abgas teilt sich in den ersten und denzweiten Abgasteilstrom 6, 7 auf und durchströmt parallel die erste und die zweiteAbgasturbine 1, 12, bevor es nicht weiterdargestelltenAbgasnachbehandlungseinrichtungen zugeführt wird.
Folgende Betriebsstrategien sind möglich: 1. EGR-Regelung (Fig. 2):
Der Massendurchsatz durch die erste Abgasturbine 8 des Abgasturbolader 9 wird sogeregelt, dass der angeforderte Ladedruck mittels des Layouts des Turboladers 9,entweder durch Betätigen eines Bypassventils (Waste Gate) oder einer variablenTurbinengeometrie der ersten Abgasturbine 8 erzeugt werden kann. DerMassenfluss durch die zweite Abgasturbine 12 wird so geregelt, dass genugLadedruck erzeugt werden kann, um Abgas der Brennkraftmaschine 1rückzuführen. Die Abtriebswelle 13 der zweite Abgasturbine 12 steht dabei miteinem zweiten Verdichter in Verbindung, welcher sich im Abgasstrang desAbgasrückführsystems 14 befindet.
Energieverluste zu Folge eines Waste Gates können vermindert werden, wobeiHochdruck-Abgasrückführung ermöglicht wird. 2. Teillast/Volllast-Regelung:
Im Volllastbetrieb wird der Massendurchsatz durch die zweite Abgasturbine 12 sogeregelt, dass die gewünschte Abtriebsleistung erzielt werden kann, während derMassendurchsatz durch die erste Abgasturbine 8 des Turboladers 9 so geregeltwird, dass der optimale Turbolader-Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Die Regelung kann dadurch erfolgen, dass das Verhältnis der Massendurchsätzeoder Volumendurchsätze der beiden Abgasturbinen 8, 12 verändert wird.
Im Teillastbetrieb wird der Massendurchsatz durch die erste und/oder zweiteAbgasturbine geregelt, wobei die Regelung durch Verändern der jeweiligenTurbinengeometrie oder durch ein Bypassventil (Waste Gate Ventil) erfolgt.
Die Energie des Bypassventils kann rückgewonnen und eine erhöhteAbgasenergierückgewinnung erzielt werden ohne dass der Abgasdruck imAbgassammler bei hohen Drehzahlen zunimmt. 3. ) Ansprechverhalten bei plötzlicher Lastanforderung
Kommt es zu einer plötzlichen Lastanforderung wird der zweite Abgasstrom 7 durchdie zweite Abgasturbine 12 zuerst gedrosselt oder unterbrochen, bis das erhöhte
Lastniveau der Brennkraftmaschine 1 durch zusätzliche Kraftstoffzufuhr und/oderVerbrennungsluft erreicht ist. Danach wird die zweite Abgasteilstrom 7 wiedererhöht, bis die gewünschte Abtriebsleistung der zweiten Abgasturbine 12 beimerhöhten Lastniveau der Brennkraftmaschine 1 erreicht ist. Der ersteAbgasteilstrom 6 wird so geregelt, dass sich der optimale Wirkungsgrad desAbgasturboladers 9 einstellt.
Das geringere Massenträgheitsmoment einer somit kleiner ausführbaren erstenAbgasturbine 8 des Abgasturboladers 9 bewirkt in Kombination mit einem erhöhtenMassendurchsatz durch die Abgasturbine 8 des Turboladers 9 einen rascherenLadedruckanstieg, was zu einem schnelleren Ansprechverhalten derBrennkraftmaschine 1 führt. 4.) Verbrennungsleistung
Durch Steuerung des Massendurchsatzes des zweiten Abgasteilstroms 7 durch diezweite Abgasturbine 12 kann die Abtriebsleistung der zweiten Abgasturbine 12geregelt werden. Somit kann die Abtriebsleistung des Verbrennungssystemsgeregelt werden, ohne dass die mechanische Leistung an der Antriebswelle derBrennkraftmaschine 1 verändert wird.
Somit kann die zweite Abgasturbine 12 in einem Betriebsmodus betrieben werden,welcher die durch die Verbrennung freigesetzte Gesamtenergie bei gegebener Last,Drehzahl und anderen Betriebsparametern minimiert. Dadurch kann ein bessererGesamtwirkungsgrad bei allen Betriebsdrehzahlen erreicht werden, als beibisherigen bekannten Betriebsverfahren, wobei bei Bedarf Hochdruck-Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Dies führt wieder zu niedrigerenVerbrennungsspitzendrücken und eine Verminderung von irregulärenVerbrennungserscheinungen.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Betreiben einer einen Auslasssystem (4) aufweisendenBrennkraftmaschine (1), insbesondere eines Gasmotors, wobei ein ersterAbgasteilstrom (7) durch eine erste Abgasturbine (8) eines erstenAbgasturboladers (9)und ein zweiter Abgasteilstrom (7) durch eine zweiteAbgasturbine (12) geleitet wird und die erste und zweite Abgasturbine (8, 12)parallel vom Abgas durchströmt werden, wobei der zweite Abgasteilstrom (7)gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einemMotorbetriebbereich der zweite Abgasteilstroms (7) durch die zweiteAbgasturbine (12) geregelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindesteinem Volllastbetriebsbereich der zweite Abgasteilstrom (7) hinsichtlich derangepeilten Abtriebsleistung der zweiten Abgasturbine (12) und der ersteAbgasteilstrom (11) hinsichtlich des optimalen Wirkungsgrades des erstenAbgasturboladers (8) geregelt wird, wobei vorzugsweise das Verhältnis desersten Abgasteilstroms (6) zum zweiten Abgasteilstrom (7) geregelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass inzumindest einem Teillastbetriebsbereich der erste und/oder zweiteAbgasteilstrom (6, 7) hinsichtlich der angepeilten Abtriebsleistung geregeltwird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass im Falle einer Lasterhöhung der zweite Abgasteilstrom (7) zuerstgedrosselt oder unterbrochen wird bis das erhöhte Lastniveau erreicht wirdund danach allmählich wieder erhöht wird, bis die Abtriebsleistung der zweitenAbgasturbine (12) beim vorliegenden Lastniveau erreicht wird, wobeivorzugsweise der erste Abgasteilstrom (6) hinsichtlich des optimalenWirkungsgrades des ersten Abgasturboladers (9) geregelt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuerung des ersten Abgasteilstroms (6) durch Verstellen derTurbinengeometrie der ersten Abgasturbine (8) oder durch Betätigen einesBypassventils der ersten Abgasturbine (8) erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Steuerung des zweiten Abgasteilstroms (7) durch Verstellen derTurbinengeometrie der zweiten Abgasturbine (12) oder durch Betätigen einesBypassventils der zweiten Abgasturbine (12) erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,dass stromaufwärts des ersten und/oder zweiten Abgasteilstroms (6, 7) vomAuslasssystem (4) - vorzugsweise im Bereich eines Abgassammlers (5) -abgezweigt und - vorzugsweise hochdruckseitig -in ein Einlasssystem (3) derBrennkraftmaschine (1) rückgeführt wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beiAbgasrückführung der erste Abgasteilstrom (6) so geregelt wird, dass ein fürden gewünschten Betriebspunkt angeforderte Ladedruck durch einen mit derersten Abgasturbine (8) mechanisch verbundenen ersten Verdichter (10) desersten Abgasturboladers (9) erzeugt wird und der zweite Abgasteilstrom (7) sogeregelt wird, dass ein mit der zweiten Abgasturbine (12) mechanischverbundener und in der Abgasrückführleitung (17) angeordneterzweiterVerdichter (15) eine Hochdruck-Abgasrückführung ermöglicht.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,dass - insbesondere bei nicht variabler Turbinengeometrie der zweitenAbgasturbine (12) - die Steuerung der Durchflussmenge des zweitenAbgasteilstroms (7) mittels eines - vorzugsweise stromaufwärts der zweitenAbgasturbine (12) angeordneten - Regelventils (18) erfolgt.
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