DE10052555A1 - Turbocharging system for petrol or diesel engine, controls power transfer between compressor, turbine and engine in defined operating regimes - Google Patents

Turbocharging system for petrol or diesel engine, controls power transfer between compressor, turbine and engine in defined operating regimes

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Abstract

Individual units are designed and controlled such that the turbocharger compressor and engine exhaust turbine are, or can be, coupled for power transmission to or from the engine. Such coupling is direct or indirect (e.g. electrical). With petrol engines, at low compressor loading, some gas exchange losses are recovered, reducing engine loading. The turbine is controlled with insufficient exhaust energy, that back pressure is not raised. With sufficient exhaust energy, turbine power reduces the required engine output. In the upper load range of the compressor, it loads the engine, whilst the turbine returns recovered power to the engine. With diesel engines, compressor and turbine are controlled such that charger compression is reduced in the low loading region and the exhaust gas turbine gives up its power to the engine. In the upper region of loading, compression is increased and the turbine gives up more power to the engine, than is extracted by the compressor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktiv regelbares Aufladesystem für Verbrennungsmotoren und seine Re­ gelungen. Es ist eine Kombination bekannter Einzelaggregate.The invention relates to an actively controllable charging system for internal combustion engines and its re succeeded. It is a combination of known individual units.

Aufladesysteme bei Verbrennungsmotoren dienen der Erhöhung der Leistungsdichte und durch Downsizing der Motoren der VerbrauchssenkungCharging systems in internal combustion engines serve to increase the power density and through downsizing of engines to reduce consumption

Es gibt Verdrängerlader, welche direkt vom Motor angetrieben werden. Sie haben den Vorteil, daß sie auch bei niedrigen Motordrehzahlen ein schnelles Ansprechverhalten garantieren.There are positive-displacement superchargers which are driven directly by the engine. They have the advantage that they too guarantee fast response at low engine speeds.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Verdrängerlader ist, daß sie nur im oberen Lastbereich eines Motors zuge­ schaltet werden und dann ihre Antriebsleistung dem Motor entziehen.A major disadvantage of this positive loader is that it only works in the upper load range of an engine be switched and then withdraw their drive power from the engine.

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.Turbochargers or Comprex loaders are an advantage here, since they only supply the exhaust gas energy to the charge pressure Use the increase and therefore do not deprive the engine of any power. But their disadvantage is that they are a poor response at low engine speeds (turbo lag). Another disadvantage The turbocharger is that it can recover the maximum energy that is useful for the compressor output NEN, but the exhaust gas energy can be a multiple of this energy. Therefore, turbo compound systems me known. However, due to two turbines, these are expensive and complex.

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.Basically, they are turbochargers that were originally developed for large engines with a narrow operating field less suitable for a wide spread engine operating range. The turbo compressor as a stream At a given speed, the machine is only optimized in efficiency for a single operating point bar and in the event of a deviation from this operating point, the efficiency drops sharply. Also has the turbocharger only one degree of freedom, the speed at which the boost pressure and flow rate are to be regulated.

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.Adjustable displacement compressors are known (DE 31 44 712 A1, DE 36 36 048, DE 38 17 318, EP 0167 846 B1, DE 197 29 615 A1 and KEM special issue 1, "The thing with the sickle" May 1, 2000; Lehmann etc. "A novel control concept for mechanical loaders" and Stubbemann, etc .; "Mechanical loaders in the Expansion operation - is the effort worth it? ", 7th turbocharging conference, Dresden, September 28/29, 2000), at wel Chen by adjusting the intake volume per revolution even in the lower load range by return The gas exchange losses in gasoline engines are an advantage over conventional supercharging measures given is.

Ziel der Erfindung ist es die Vorteile des Turboladers mit den Vorteilen der verstellbaren Verdrängerkom­ pressoren zu kombinieren und deren Nachteile zu vermeiden.The aim of the invention is to take advantage of the turbocharger with the advantages of the adjustable displacement compressor to combine pressors and avoid their disadvantages.

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.This is achieved in that an adjustable displacement compressor, which is directly or indirectly (e.g. electrically) is non-positively driven by the engine, combined with a regulated exhaust gas turbine, wel also feed directly or indirectly (e.g. electrically) non-positively back to the engine exhaust gas energy can. The units are controlled so that the gas exchange in the lower load range in gasoline engines Sel losses are partially recovered and the boost pressure is reduced in diesel engines without that the exhaust gas turbine increases the extension work, and a charge in the upper load range in gasoline engines and there is a partial recovery of the exhaust gas energy and an increase in the charge in diesel engines pressure and a higher recovery of the exhaust gas energy.

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.Overall, this solution increases the degrees of freedom because of the throughput and the compressor pressure is infinitely variable regardless of the turbine power and so the turbine speed and geometry is adjustable that it can be optimized for the respective operating point.

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.The invention is characterized in the claims 1-8 and explained with reference to FIGS. 1-7. The advantages of the charging according to the invention are to be clarified on the basis of the existing charging systems.

Fig. 1 zeigt die Schaltung des Turboladers mit dem (Verbrennungs-)Motor. Der Turbolader ist nur über die Gasströme an den Motor gekoppelt. Fig. 1 shows the circuit of the turbocharger with the (combustion) engine. The turbocharger is only coupled to the engine via the gas flows.

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.At a given speed, turbomachines can only be optimized for a single pressure-volume flow point. If this operating point deviates, the efficiency of the turbomachine drops sharply. The result in the event of deviations from the design point is shown in FIGS . 2a and 2b of the energy flows.

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)If the exhaust gas energy AE is low, only a small amount of energy is delivered to the turbine T, which can therefore only give a small amount of energy to the compressor V ( 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). If the exhaust gas energy AE is too high, a greater energy could be delivered to the turbine T than the compressor or the motor can process. Part of the exhaust gas energy AE must therefore remain unused ( Fig. 2b).

Fig. 3 zeigt die Schaltung des variablen Kompressors mit dem Verbrennungsmotor. Der Kompressor ist kraftschlüssig mit der Motorwelle gekoppelt. Fig. 3 shows the circuit of the variable compressor with the internal combustion engine. The compressor is non-positively coupled to the motor shaft.

Das Ergebnis der Energieströme beim Ottomotor im unteren und oberen Lastbereich zeigen die Fig. 4a und 4b.The result of the energy flows in the Otto engine in the lower and upper load range, Figs. 4a and 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).In the lower load range, the compressor returns power to the engine. The exhaust gas energy lost is comparatively low. The compressor saves engine power. ( Fig. 4a).

Im oberen Lastbereich verbraucht der Kompressor Motorleistung und es geht eine höhere Abgasenergie verloren (Fig. 4b)In the upper load range, the compressor consumes engine power and a higher exhaust gas energy is lost ( Fig. 4b)

Fig. 5 zeigt die Schaltung der erfindungsgemäßen Lösung. Sowohl ein variabler Verdrängerverdichter, wie auch eine Abgasturbine sind kraftschlüssig mit der Motorwelle gekoppelt. Fig. 5 shows the circuit of the solution according to the invention. Both a variable displacement compressor and an exhaust gas turbine are non-positively coupled to the motor shaft.

Die Fig. 6a-6d zeigen die Energieströme bei verschiedenen Betriebspunkten. FIGS. 6a-6d show the energy flows at different operating points.

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).At low engine speeds and low partial loads, the compressor returns power to the engine and the exhaust gas energy is so low that it cannot be used effectively. ( Fig. 6a).

Bei hohen Motordrehzahlen und unterer Teillast ist das Verhalten analog (Fig. 6b).The behavior is similar at high engine speeds and lower partial load ( 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)At low engine speeds and full load or at low to medium engine speeds and higher loads, the exhaust gas turbine roughly returns the energy to the engine that the compressor consumes. The solution according to the invention and the turbocharger solution are energetically equivalent in this area - but also only in this area. ( 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).At medium to high engine speeds and a higher engine load, the exhaust gas turbine returns more energy to the engine than the compressor consumes ( 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. Fig. 7 shows a simple control device for the exhaust gas turbine. The two-flow turbine 4 is located in a housing 2 and is coupled via a freewheel 3 with a non-positively connected shaft 1 to the motor shaft GE. This shaft can even be made switchable if necessary. A control element 6 can open one or two turbine passages.

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.At very low exhaust gas energies or volumes, shaft 1 rotates faster than the turbine. The turbine is supported on shaft 1 from the lower to the highest power range. Initially, one turbine duct remains open in the lower to medium performance range, both in the upper. A further improvement can be achieved by adjusting the guide vanes 5 .

Das neue System der Aufladung bietet damit eine Möglichkeit der weiteren Erhöhung der Leistungsdichte und damit des Downsizing:
The new charging system thus offers the possibility of further increasing the power density and thus downsizing:

  • - Durch Erhöhung der Motorleistung wie bei Turbo-Compound-Lösungen- By increasing the engine power as with turbo compound solutions
  • - Durch Realisation einer Hochaufladung bis π < 2, 3, da durch die Verstellbarkeit des Kompressors auch im unteren Lastbereich ein sparsamer Betrieb möglich bleibt.- By realizing a supercharging up to π <2, 3, because the adjustability of the compressor also in economical operation remains possible in the lower load range.

Claims (9)

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.
1. Charging system for internal combustion engines consisting of an inner-axis rotary piston or a screw compressor V, the throughput volume p. U. or in nere compression or relaxation can be adjusted, an at least two-stage adjustable exhaust gas turbine T, 4; and control devices 3 , 6 , characterized in that the individual units are designed and controlled so that
  • a) both the positive-displacement supercharger V and the exhaust gas turbine T, 4; are non-positively or indirectly (e.g. electrically) coupled or can be coupled to the engine output and
  • b) displacer and turbine in gasoline engines are controlled in such a way
    • A) that in the lower load range of the positive displacement part recovers the Gaswechselverlu ste and thus reduces the necessary engine power and the Turbi ne is controlled with insufficient exhaust gas energy so that it does not increase the Ausubwi resistance and with sufficient exhaust gas energy the turbine power reduces the required engine power and
    • B) in the upper load range of the displacer, its drive power is extracted from the engine and the turbine delivers its power directly or indirectly to the engine, and
  • c) displacer and turbine in diesel engines are controlled so
    • A) that the compression of the positive-displacement supercharger is lowered in the lower load range and the exhaust gas turbine delivers its power directly or indirectly to the engine and
    • B) the compression of the positive-displacement supercharger is increased in the upper load range and the turbine delivers more power than the drive power of the positive-displacement supercharger to the engine.
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.2. charging system under claim 1, characterized, that the outlet volume of the supercharger per engine revolution, which from Displacer to engine intake flows equal to that at each engine operating point Suction volume of the engine per engine revolution and the positive displacement supercharger alone the suction volume p. U. is infinitely adjustable. 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).3. charging system under claim 1, 2 characterized, that the positive-displacement supercharger is an internal-axis rotary lobe or screw machine ne is with an adjustment factor <15 for the suction volume (training ability at Otto motors using the suction adjustment). 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. 4. Charging system under claims 1-3, characterized in that the exhaust gas turbine is arranged with a freewheel device 3 on a with the motor shaft di rectly or indirectly non-positively connected shaft 1 that this shaft 1 rotates faster than the turbine at low exhaust gas energy and at high Abga senergie the turbine 4 is supported on this shaft 1 . 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.5. Charging system under claim 1-4, characterized in that the turbine 4 is two or more flow and a control device 6 is present, which opens only one or more turbine passages. 6. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlverhältnis der mit der Motorwelle kraftschlüssig verbundenen Welle 1 und der Motorwelle veränderbar ist.6. Charging system under claim 1-5, characterized in that the speed ratio of the non-positively connected to the motor shaft shaft 1 and the motor shaft is variable. 7. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln 5 der Turbine verstellbar sind.7. Charging system under claims 1-6, characterized in that the guide vanes 5 of the turbine are adjustable. 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.8. charging system under claims 1-7, characterized, that the turbine is directly or indirectly coupled to the supercharger shaft or can be coupled and thus indirectly to the motor shaft. 9. Aufladesystem unter Patentanspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß damit eine Hochaufladung mit einem π < 2 realisiert wird.9. charging system under claims 1-8, characterized, that a high charge with a π <2 is realized.
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