DE10052555A1

DE10052555A1 - Aktiv regelbares Aufladesystem für Verbrennungsmotoren und seine Regelungen

Info

Publication number: DE10052555A1
Application number: DE10052555A
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-05-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktiv regelbares Aufladesystem für Verbrennungsmotoren und seine Regelungen. Es ist eine Kombination bekannter Einzelaggregate. DOLLAR A Dabei werden ein mit der Motorwelle direkt oder indirekt gekoppelter stufenlos verstellbarer Drehkolbenkompressor und eine mit der Motorwelle direkt oder indirekt gekoppelte oder kuppelbare mindestens in zwei Stufen (an/aus, großer/kleiner Durchlaßquerschnitt usw.) schaltbare Abgasturbine so gesteuert, daß DOLLAR A È bei Ottomotoren im unteren Leistungsbereich ein teilweiser Rückgewinn der Gaswechselverluste am Kompressor und im oberen Leistungsbereich ein hoher Gewinn an Abgasenergie an der Turbine erfolgt und DOLLAR A È bei Dieselmotoren im unteren Leistungsbereich die Verdichtungshöhe des Kompressors abgesenkt wird und der Verbrauch von Motorleistung für den Kompressor durch Rückgewinn der Abgasenergie mit Hilfe der Turbine weitgehend kompensiert wird und im oberen Leistungsbereich die Verdichtungshöhe und Luftzufuhr durch den Kompressor angehoben und an der Abgasturbine eine größere Leistung als die für den Kompressorbetrieb notwendige zurückgewonnen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktiv regelbares Aufladesystem für Verbrennungsmotoren und seine Re gelungen. Es ist eine Kombination bekannter Einzelaggregate.

Aufladesysteme bei Verbrennungsmotoren dienen der Erhöhung der Leistungsdichte und durch Downsizing der Motoren der Verbrauchssenkung

Es gibt Verdrängerlader, welche direkt vom Motor angetrieben werden. Sie haben den Vorteil, daß sie auch bei niedrigen Motordrehzahlen ein schnelles Ansprechverhalten garantieren.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verdrängerlader ist, daß sie nur im oberen Lastbereich eines Motors zuge schaltet werden und dann ihre Antriebsleistung dem Motor entziehen.

Hier sind Turbolader oder Comprexlader von Vorteil, da sie ausschließlich die Abgasenergie zur Ladedruc kerhöhung benutzen und daher dem Motor keine Leistung entziehen. Ihr Nachteil aber ist, daß sie ein schlechtes Ansprechverhalten bei niedrigen Motordrehzahlen (Turboloch) aufweisen. Ein weiterer Nachteil der Turbolader ist, daß sie maximal die Energie für die Verdichterleistung nutzbringend zurückgewinnen kön nen, die Abgasenergie aber ein vielfaches dieser Energie betragen kann. Daher sind Turbocompoundsyste me bekannt. Diese sind aber aufgrund zweier Turbinen teuer und aufwendig.

Grundsätzlich sind Turbolader die ursprünglich für Großmotoren mit einem engen Betriebfeld entwickelt wur den für einen weit gespreizten Motorbetriebsbereich weniger gut geeignet. Der Turbokompressor als Strö mungsmaschine ist bei gegebener Drehzahl nur für einen einzigen Betriebspunkt im Wirkungsgrad optimier bar und fällt bei Abweichung von diesem Betriebspunkt im Wirkungsgrad stark ab. Auch hat der Turbolader nur einen Freiheitsgrad, die Drehzahl, mit der Ladedruck und Fördermenge geregelt werden sollen.

Es sind verstellbare Verdrängerkompressoren bekannt (DE 31 44 712 A1, DE 36 36 048, DE 38 17 318, EP 0167 846 B1, DE 197 29 615 A1 und KEM Sonderheft 1, "Die Sache mit der Sichel" 1. Mai 2000; Lehmann usw. "Ein neuartiges Regelkonzept für mechanische Lader" und Stubbemann usw.; "Mechanische Lader im Expansionsbetrieb - lohnt sich der Aufwand ?", 7. Aufladetechn. Konferenz, Dresden 28./29.09.2000), bei wel chen durch Verstellung des Ansaugvolumens pro Umdrehung auch im unteren Lastbereich durch Rückge winn der Gaswechselverluste bei Ottomotoren ein Vorteil gegenüber konventionellen Auflademaßnahmen gegeben ist.

Ziel der Erfindung ist es die Vorteile des Turboladers mit den Vorteilen der verstellbaren Verdrängerkom pressoren zu kombinieren und deren Nachteile zu vermeiden.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein verstellbarer Verdrängerkompressor, welcher direkt oder indirekt (z. B. elektrisch) kraftschlüssig vom Motor angetrieben wird, mit einer geregelten Abgasturbine kombiniert ist, wel che ebenfalls direkt oder indirekt (z. B. elektrisch) kraftschlüssig zum Motor Abgasenergie zurückspeisen kann. Dabei werden die Aggregate so gesteuert, daß im unteren Lastbereich bei Ottomotoren die Gaswech selverluste teilweise zurückgewonnen werden und bei Dieselmotoren der Ladedruck verringert wird, ohne daß die Abgasturbine die Ausschubarbeit erhöht, und im oberen Lastbereich bei Ottomotoren eine Aufladung und ein teilweiser Rückgewinn der Abgasenergie stattfindet und bei Dieselmotoren eine Erhöhung des Lade drucks und ein höherer Rückgewinn der Abgasenergie erfolgt.

Insgesamt werden mit dieser Lösung die Freiheitsgrade erhöht, da Durchsatzmenge und Kompressordruck unabhängig von der Turbinenleistung stufenlos veränderbar ist und die Turbinendrehzahl und Geometrie so einstellbar ist, daß sie für den jeweiligen Betriebspunkt optimierbar ist.

Die Erfindung wird in den Patentansprüchen 1-8 gekennzeichnet und anhand der Fig. 1-7 erläutert. Anhand der vorhandenen Aufladesysteme sollen die Vorteile der erfindungsgemäßen Aufladung verdeutlicht werden.

Fig. 1 zeigt die Schaltung des Turboladers mit dem (Verbrennungs-)Motor. Der Turbolader ist nur über die Gasströme an den Motor gekoppelt.

Strömungsmaschinen sind bei gegebener Drehzahl nur für einen einzigen Druck-Volumenstrom-Punkt opti mierbar. Bei Abweichung von diesem Betriebspunkt fällt der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine stark ab. Das Ergebnis bei Abweichungen vom Auslegpunkt zeigen die Fig. 2a und 2b der Energieströme.

Bei geringer Abgasenergie AE wird auch nur eine geringe Energie an die Turbine T abgegeben, welche somit auch nur eine geringe Energie an den Verdichter V abgeben kann (Fig. 2a)

Bei zu großer Abgasenergie AE könnte eine größere Energie an die Turbine T abgegeben werden, als der Verdichter bzw. der Motor verarbeiten kann. Ein Teil der Abgasenergie AE muß daher ungenutzt bleiben (Fig. 2b).

Fig. 3 zeigt die Schaltung des variablen Kompressors mit dem Verbrennungsmotor. Der Kompressor ist kraftschlüssig mit der Motorwelle gekoppelt.

Das Ergebnis der Energieströme beim Ottomotor im unteren und oberen Lastbereich zeigen die Fig. 4a und 4b.

Im unteren Lastbereich gibt der Kompressor Leistung an den Motor zurück. Die verlorene Abgasenergie ist vergleichsweise gering. Der Kompressor spart Motorleistung ein. (Fig. 4a).

Im oberen Lastbereich verbraucht der Kompressor Motorleistung und es geht eine höhere Abgasenergie verloren (Fig. 4b)

Fig. 5 zeigt die Schaltung der erfindungsgemäßen Lösung. Sowohl ein variabler Verdrängerverdichter, wie auch eine Abgasturbine sind kraftschlüssig mit der Motorwelle gekoppelt.

Die Fig. 6a-6d zeigen die Energieströme bei verschiedenen Betriebspunkten.

Bei niedriger Motordrehzahl und unterer Teillast gibt der Kompressor Leistung an den Motor zurück und die Abgasenergie ist so gering, daß sie nicht sinnvoll nutzbar ist. (Fig. 6a).

Bei hohen Motordrehzahlen und unterer Teillast ist das Verhalten analog (Fig. 6b).

Bei niedrigen Motordrehzahlen und Vollast oder bei unteren bis mittleren Motordrehzahlen und höherer Last gibt die Abgasturbine in etwa die Energie an den Motor zurück, den der Kompressor verbraucht. Die erfin dunggemäße Lösung und die Turboladerlösung sind in diesem Bereich - aber auch nur in diesem Bereich - energetisch gleichwertig. (Fig. 6c)

Bei mittleren bis höheren Motordrehzahlen und höherer Motorlast gibt die Abgasturbine mehr Energie an den Motor zurück als der Kompressor verbraucht (Fig. 6d).

Fig. 7 zeigt eine einfache Regeleinrichtung für die Abgasturbine. Die zweiflutige Turbine 4 liegt in einem Gehäuse 2 und ist über eine Freilauf 3 mit einer kraftschlüssig mit der Motorwelle verbundenen Welle 1 ge kuppelt. Diese Welle kann ggf. sogar schaltbar gestaltet werden. Ein Regelelement 6 kann einen oder zwei Turbinendurchlässe öffnen.

Bei ganz geringen Abgasenergien bzw. Volumina dreht die Welle 1 schneller als die Turbine. Ab unteren bis obersten Leistungsbereich stützt sich die Turbine an der Welle 1 ab. Zunächst bleibt im unteren bis mittleren Leistungsbereich ein Turbinenkanal offen, im oberen beide. Über eine Verstellbarkeit der Leitschaufeln 5 kann eine weitere Verbesserung erreicht werden.

Das neue System der Aufladung bietet damit eine Möglichkeit der weiteren Erhöhung der Leistungsdichte und damit des Downsizing:

- Durch Erhöhung der Motorleistung wie bei Turbo-Compound-Lösungen
- Durch Realisation einer Hochaufladung bis π < 2, 3, da durch die Verstellbarkeit des Kompressors auch im unteren Lastbereich ein sparsamer Betrieb möglich bleibt.

Claims

1. Aufladesystem für Verbrennungsmotoren bestehend aus einem innenachsigen Dreh kolben- oder einem Schraubenkompressor V, dessen Durchsatzvolumen p. U. bzw. in nere Verdichtung oder Entspannung verstellt werden kann, einer mindestens zweistufig regelbaren Abgasturbine T, 4; und Regeleinrichtungen 3, 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Aggregate so ausgelegt sind und gesteuert werden, daß

a) sowohl der Verdrängerlader V wie auch die Abgasturbine T, 4; kraftschlüssig direkt oder indirekt (z. B. elektrisch) mit dem Motorabtrieb gekuppelt oder kuppelbar sind und
b) Verdrängerlader und Turbine bei Ottomotoren so gesteuert werden,
- A) daß im unteren Lastbereich der Verdrängerlader einen Teil der Gaswechselverlu ste zurückgewinnt und damit die notwendige Motorleistung absenkt und die Turbi ne bei unzureichender Abgasenergie so gesteuert ist, daß sie den Ausschubwi derstand nicht erhöht und bei ausrechender Abgasenergie die Turbinenleistung die benötigte Motorleistung absenkt und
- B) im oberen Lastbereich der Verdrängerlader seine Antriebsleistung dem Motor ent zieht und die Turbine ihre gewonnene Leistung direkt oder indirekt an den Motor abgibt, und
c) Verdrängerlader und Turbine bei Dieselmotoren so gesteuert werden,
- A) daß im unteren Lastbereich die Verdichtung des Verdrängerladers abgesenkt wird und die Abgasturbine ihre Leistung direkt oder indirekt an den Motor abgibt und
- B) im oberen Lastbereich die Verdichtung des Verdrängerladers erhöht wird und die Turbine mehr Leistung als die Antriebsleistung des Verdrängerladers an den Mo tor abgibt.

2. Aufladesystem unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßvolumen des Verdrängerladers pro Motorumdrehung, welches vom Verdrängerlader zum Motoreinlaß strömt im jedem Motorbetriebspunkt gleich dem Saugvolumen des Motors pro Motorumdrehung ist und der Verdrängerlader allein über das Ansaugvolumen p. U. stufenlos verstellbar ist.

3. Aufladesystem unter Patentanspruch 1, 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerlader eine innenachsige Drehkolben- oder eine Schraubenmaschi ne ist mit einem Verstellfaktor < 15 für das Saugvolumen (Lehrlauffähigkeit bei Otto motoren mit Hilfe der Saugverstellung).

4. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine mit einer Freilaufeinrichtung 3 so an einer mit der Motorwelle di rekt oder indirekt kraftschlüssig verbundenen Welle 1 angeordnet ist, daß sich bei ge ringer Abgasenergie diese Welle 1 schneller als die Turbine dreht und bei hoher Abga senergie sich die Turbine 4 an dieser Welle 1 abstützt.

5. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine 4 zwei- oder mehrflutig ist und eine Regeleinrichtung 6 vorhanden ist, die nur einzelne oder mehrere Turbinendurchlässe öffnet.

6. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlverhältnis der mit der Motorwelle kraftschlüssig verbundenen Welle 1 und der Motorwelle veränderbar ist.

7. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln 5 der Turbine verstellbar sind.

8. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine kraftschlüssig direkt oder indirekt mit der Laderwelle gekoppelt oder koppelbar ist und somit indirekt mit der Motorwelle.

9. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß damit eine Hochaufladung mit einem π < 2 realisiert wird.