DE102004027582A1 - Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger - Google Patents

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist einen Abgasturbolader auf, dessen Abgasturbine in der Weise dimensioniert ist, dass das Verhältnis von einem gegebenen motorspezifischen Durchsatzparameter zu einem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter in einem definierten Wertebereich liegt.An internal combustion engine has an exhaust gas turbocharger whose exhaust gas turbine is dimensioned in such a way that the ratio of a given engine-specific throughput parameter to a turbine-specific plug flow rate parameter lies within a defined value range.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1.

In der Druckschrift DE 102 02 322 A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, der einen Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine aufweist, wobei das Turbinenrad von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben wird und die Drehbewegung über eine Welle auf das Verdichterrad übertragen wird, das daraufhin Umgebungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Des Weiteren ist ein die Abgasturbine überbrückender Bypass vorgesehen, in welchem ein Bypassventil zur Steuerung des Durchflusses durch den Bypass angeordnet ist. Über einen Drucksensor wird der Abgasgegendruck ermittelt, wobei im Falle des Überschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes zum einen das Bypassventil geöffnet wird, so dass Abgasgegendruck unter Umgehung der Turbine abgebaut werden kann. Zum anderen kann eine variable Turbinengeometrie, über die der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt veränderlich einstellbar ist, in Richtung maximaler Öffnungsstellung versetzt werden, so dass ein größerer Durchsatz durch die Abgasturbine ermöglicht ist und der Abgasgegendruck ebenfalls abgebaut wird. Der Druckabbau durch Öffnen der variablen Turbinengeometrie stellt zudem ei ne zusätzliche Sicherheit für den Fall einer Fehlfunktion des Bypassventiles dar.In the publication DE 102 02 322 A1 An internal combustion engine is described with an exhaust gas turbocharger, which has a compressor in the intake tract and an exhaust gas turbine in the exhaust line of the internal combustion engine, wherein the turbine wheel is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine and the rotational movement is transmitted via a shaft to the compressor wheel, which then ambient air sucks and compressed to an increased boost pressure. Furthermore, a bypass bypassing the exhaust gas turbine is provided, in which a bypass valve for controlling the flow through the bypass is arranged. The exhaust gas backpressure is determined by way of a pressure sensor, with the bypass valve being opened in the event of exceeding a predetermined limit value, so that exhaust gas back pressure can be reduced while bypassing the turbine. On the other hand, a variable turbine geometry, via which the effective turbine inlet cross section is variably adjustable, are offset in the direction of maximum open position, so that a larger throughput is made possible by the exhaust gas turbine and the exhaust back pressure is also reduced. The pressure reduction by opening the variable turbine geometry also provides ei ne additional security in the event of malfunction of the bypass valve.

Bei der Dimensionierung von Abgasturboladern für Brennkraftmaschinen muss generell zwei gegensätzlichen Kriterien Rechnung getragen werden. Einerseits ist man bestrebt, möglichst kleine Lader zu verwenden, die sich aufgrund ihrer geringeren Massenträgheit durch ein besseres Ansprechverhalten insbesondere im unteren Last-/Drehzahlbereich sowie im transienten Bereich auszeichnen und bei denen die Pumpgrenze des Verdichters zugunsten kleinerer Massenströme verschoben ist. Andererseits werden aus Wirkungsgradgründen bevorzugt größere Abgasturbolader eingesetzt, die sich durch eine zugunsten höherer Massendurchsätze verschobene Stopfgrenze auszeichnen. Insbesondere für Abgasturbinen ist eine hohe Stopfgrenze erstrebenswert, um einen unzulässig hohen Anstieg des Abgasgegendrucks zu vermeiden.at the dimensioning of exhaust gas turbochargers for internal combustion engines must generally two opposing Criteria are taken into account. On the one hand, one strives preferably to use small loaders, due to their lower inertia due to a better response especially in the lower load / speed range as well in the transient region and where the surge line of the compressor is shifted in favor of smaller mass flows. on the other hand be for efficiency reasons preferably larger turbocharger used, which is shifted by one in favor of higher mass flow rates Mark the stuffing limit. In particular for exhaust gas turbines is a high Stopfgrenze desirable to an inadmissibly high increase in exhaust back pressure to avoid.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine Brennkraftmaschine mit einem in einem weiten Betriebsbereich nutzbaren Abgasturbolader zu schaffen. Der Verdichter des Abgasturboladers soll sich insbesondere durch eine niedrige Pumpgrenze auszeichnen, außerdem sollen hohe Abgasmassenströme zu bewältigen sein.Of the Invention is based on the problem with simple measures an internal combustion engine with one in a wide operating range usable turbocharger to create. The compressor of the exhaust gas turbocharger should be characterized in particular by a low surge limit, Furthermore should high exhaust gas mass flows to manage something be.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This Problem is inventively with the Characteristics of claim 1 solved. The dependent claims give expedient further education at.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader ist ein die Turbine überbrückender Bypass im Abgasstrang vorgesehen, wobei im Bypass ein einstellbares Bypassventil angeordnet ist, über das der Durchfluss durch den Bypass steuerbar ist. Des Weiteren kann eine Dimensionierungs regel für die Abgasturbine als Funktion eines vom Motor im Nennleistungspunkt benötigten Durchsatzparameters sowie eines turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameters angegeben werden. Das Verhältnis dieser Durchsatzparameter muss in einem Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50 liegen, um dem Erfordernis nach bestmöglicher Dimensionierung Rechnung zu tragen. Bei dieser Dimensionierung übersteigt der motorspezifische Durchsatzparameter, der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine in deren Nennpunkt bezeichnet, den turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter der Abgasturbine zumindest um den Faktor 1,05 und maximal um den Faktor 1,50. In Motorbetriebsbereichen mit hoher Last und Drehzahl, in denen ein hoher Abgasmassenstrom erzeugt wird, welcher aufgrund der zu kleinen Turbine zu hohen Abgasgegendrücken führen würde, wird eine Abblasung über den Bypass durchgeführt, wodurch sichergestellt ist, dass der Abgasgegendruck einen maximal zulässigen Grenzwert nicht übersteigt. Zugleich ist der Abgasturbolader aber klein genug ausgelegt und besitzt ein verhältnismäßig kleines Massenträgheitsmoment, dass ein schnelles Ansprechen des Abgasturboladers insbesondere bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine sowie im transienten Übergangsbereich sichergestellt ist. Derartige, klein dimensionierte Abgasturbolader weisen eine zugunsten kleinerer Massenströme verschobene Pumpgrenze auf. Außerdem ist bei niedrigen Durchsätzen der Wirkungsgrad verbessert, welcher sich bei Volllast bei zugleich niedriger Motordrehzahl sowie bei Instationärvorgängen positiv auswirkt.at the internal combustion engine according to the invention with turbocharger is a turbine bridging bypass in the exhaust system provided, wherein arranged in the bypass an adjustable bypass valve is over that the flow through the bypass is controllable. Furthermore can a sizing rule for the exhaust gas turbine as a function a flow rate parameter required by the engine at rated power point and a turbine-specific Stopfdurchsatzparameters indicated become. The relationship this throughput parameter must be in a range between 1.05 and 1.50 are in line with the requirement for the best possible sizing to wear. In this dimensioning exceeds the engine-specific Throughput parameters, the total absorption behavior of the internal combustion engine in their nominal point, the turbine-specific Stopfdurchsatzparameter the exhaust gas turbine at least by a factor of 1.05 and at most by the Factor 1.50. In engine operating ranges with high load and speed, in which a high exhaust gas mass flow is generated, which due to The too small turbine would lead to high exhaust back pressures, is a blow over the Bypass performed, which ensures that the exhaust back pressure a maximum permissible Limit does not exceed. At the same time, the exhaust gas turbocharger is designed to be small enough and owns a relatively small Inertia, that a quick response of the exhaust gas turbocharger in particular even at low loads and speeds of the internal combustion engine as well as in the transient transition region is ensured. Such, small-sized exhaust gas turbocharger have a pumping limit shifted in favor of smaller mass flows. Furthermore is at low flow rates the Improved efficiency, which at full load at the same time low engine speed as well as during instationary operations has a positive effect.

Die erfindungsgemäße Kombination von Brennkraftmaschine und Abgasturbolader eignet sich insbesondere für Lader, deren Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet ist. In diesem Fall bezieht sich der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter auf die maximale Öffnungsstellung der variablen Turbinengeometrie, bei der ein maximal möglicher Durchfluss durch die Turbine möglich ist. Die variable Turbinengeometrie ermöglicht nicht nur in der befeuerten Antriebsbetriebsweise, sondern im unbefeuerten Motorbremsbetrieb eine optimierte Betriebsweise. Im Motorbremsbetrieb wird die variable Turbinengeometrie in eine den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt reduzierende Staustellung versetzt, wodurch ein erhöhter Abgasgegendruck aufgebaut wird, gegen den die Brennkraftmaschine Ausschubarbeit verrichten muss.The inventive combination of internal combustion engine and turbocharger is particularly suitable for superchargers whose exhaust gas turbine is equipped with a variable turbine geometry for variable adjustment of the effective turbine inlet cross-section. In this case, the turbine specific plug flow rate parameter refers to the maximum open position of the variable turbine geometry, which allows maximum possible flow through the turbine. The variable turbine geometry enables not only in the fired drive mode, but in the unfired engine Brake operation an optimized mode of operation. In engine braking operation, the variable turbine geometry is displaced into a stowage position which reduces the effective turbine inlet cross section, whereby an increased exhaust back pressure is built up, against which the internal combustion engine must perform exhaust work.

Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, den Verdichter des Abgasturboladers mit einer variablen Verdichtergeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Verdichtereintrittsquerschnitts auszustatten. Über die Einstellung der variablen Verdichtergeometrie kann die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld zugunsten kleinerer Massenströme verschoben werden, was für eine Steigerung der Ladedrücke bei niedrigen Motordrehzahlen ausgenutzt werden kann.Of Furthermore, it may be advantageous to the compressor of the exhaust gas turbocharger with a variable compressor geometry for variable adjustment of the equip effective compressor inlet cross section. About the Setting the variable compressor geometry can be the surge line shifted in the compressor map in favor of smaller mass flows become, what for an increase in boost pressures can be exploited at low engine speeds.

Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welcher entsprechend der vorgenannten Beziehung für das Verhältnis von motorspezifischem Durchsatzparameter zu turbinenspezifischem Stopfdurchsatzparameter dimensioniert ist, wird der Ladedruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine gemessen und das Bypassventil zur Umgehung der Abgasturbine für den Fall geöffnet, dass der Ladedruck einen Grenzwert überschreitet. Für diese, auf dem Ladedruck basierende Einstellung werden lediglich Drucksensoren im Ansaugtrakt stromab des Verdichters benötigt, darüber hinaus sind keine weiteren Sensoren erforderlich.at an advantageous method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, which corresponds to the aforementioned Relationship for The relationship from engine-specific throughput parameter to turbine-specific Stopfdurchsatzparameter is dimensioned, the boost pressure in Intake tract of the internal combustion engine measured and the bypass valve to bypass the exhaust gas turbine for open the case, that the boost pressure exceeds a limit. For this, boost pressure based settings are just pressure sensors in the intake tract downstream of the compressor needed, moreover, are no other sensors required.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further Advantages and expedient designs are the further claims, the figure description and the drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine im Abgasstrang von einem Bypass überbrückt wird und 1 a schematic representation of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas turbine is bypassed in the exhaust line of a bypass and

2 ein Turbinendiagramm für die Abgasturbine mit der Darstellung des Durchsatzparameters durch die Turbine in Abhängigkeit des Druckverhältnisses über der Turbine. 2 a turbine diagram for the exhaust gas turbine with the representation of the flow rate parameter through the turbine as a function of the pressure ratio across the turbine.

Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, ein Ottomotor oder eine Diesel-Brennkraftmaschine, ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, welcher eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 und einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. Ein Turbinenrad der Abgasturbine 3 wird von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben, wobei diese Drehbewegung über eine Welle auf ein Verdichterrad des Verdichters 5 übertragen wird, woraufhin unter Atmosphärendruck stehende Umgebungsluft angesaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 7 versehen, über die ein wirksamer Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Staustellung und einer maximalen Öffnungsstellung zu verstellen ist. Die variable Turbinengeometrie 7 kann sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb zur Verbesserung des Betriebsverhaltens eingesetzt werden und in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bzw. sonstiger, der Brennkraftmaschine zugeordneter Aggregate eingestellt werden.In the 1 illustrated internal combustion engine 1 , a gasoline engine or a diesel internal combustion engine, is equipped with an exhaust gas turbocharger 2 equipped, which is an exhaust gas turbine 3 in the exhaust system 4 and a compressor 5 in the intake tract 6 includes. A turbine wheel of the exhaust gas turbine 3 is from the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine 1 driven, this rotational movement via a shaft to a compressor wheel of the compressor 5 is transferred, whereupon standing under atmospheric pressure ambient air sucked and compressed to an increased charge pressure. The exhaust gas turbine 3 is with a variable turbine geometry 7 provided, over which an effective turbine inlet cross section between a minimum stowage position and a maximum open position is to be adjusted. The variable turbine geometry 7 can be used both in the fired drive mode and in engine braking to improve the performance and depending on state and operating variables of the engine or other, the internal combustion engine associated units can be set.

Der Verdichter 5 ist mit einer variablen Verdichtergeometrie 8 versehen, über die ebenfalls in Abhängigkeit diverser Zustands- und Betriebsgrößen der wirksame Verdichtereintrittsquerschnitt veränderlich einzustellen ist. Die variable Verdichtergeometrie 8 erlaubt insbesondere eine Verschiebung der Pumpgrenze im Verdichterdiagramm zugunsten kleinerer Massenströme.The compressor 5 is with a variable compressor geometry 8th provided over which also depending on various state and operating variables of the effective compressor inlet cross section is set variably. The variable compressor geometry 8th allows in particular a shift of the surge line in the compressor diagram in favor of smaller mass flows.

Die im Verdichter 5 komprimierte Verbrennungsluft wird stromab des Verdichters 5 einem Ladeluftkühler 9 zugeführt und anschließend unter dem Ladedruck p2,S Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeleitet.The in the compressor 5 compressed combustion air is downstream of the compressor 5 a charge air cooler 9 fed and then under the boost pressure p 2, S cylinders of the internal combustion engine 1 fed.

Im Abgasstrang 4 ist ein die Abgasturbine 3 überbrückender Bypass 10 angeordnet, welcher stromauf der Abgasturbine 3 vom Abgasstrang 4 abzweigt und stromab der Abgasturbine 3 wieder in den Abgasstrang einmündet. Im Bypass 10 ist ein einstellbares Bypassventil 11 angeordnet.In the exhaust system 4 is an exhaust gas turbine 3 bridging bypass 10 arranged, which upstream of the exhaust gas turbine 3 from the exhaust system 4 branches off and downstream of the exhaust gas turbine 3 re-enters the exhaust system. In the bypass 10 is an adjustable bypass valve 11 arranged.

Stromab der Abgasturbine 3 befindet sich eine Abgasreinigungseinrichtung 12, insbesondere ein Katalysator und/oder ein Filter im Abgasstrang 4. Auch der Bypass 10 mündet in die Abgasreinigungseinrichtung 12.Downstream of the exhaust gas turbine 3 there is an emission control device 12 , In particular, a catalyst and / or a filter in the exhaust line 4 , Also the bypass 10 flows into the exhaust gas purification device 12 ,

Über eine Steuer- und Regeleinheit 13 werden sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen eingestellt, insbesondere die variable Turbinengeometrie 7, die variable Verdichtergeometrie 8 sowie das Bypassventil 11.About a control unit 13 all adjustable units of the internal combustion engine are adjusted in dependence on state and operating variables, in particular the variable turbine geometry 7 , the variable compressor geometry 8th as well as the bypass valve 11 ,

Gemäß einer alternativen Ausführung besitzt der Abgasturbolader 2 sowohl in seiner Abgasturbine 3 als auch im Verdichter 5 jeweils eine Festgeometrie. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Turbine 3 mit der variablen Turbinengeometrie 7 und den Verdichter 5 mit Festgeometrie auszustatten. Darüber hinaus kommt aber auch eine Ausführung mit der Abgasturbine 3 mit Festgeometrie und dem Verdichter 5 mit variabler Verdichtergeometrie 8 in Betracht.According to an alternative embodiment, the exhaust gas turbocharger has 2 both in his exhaust turbine 3 as well as in the compressor 5 each a solid geometry. But it may also be appropriate, the turbine 3 with the variable turbine geometry 7 and the compressor 5 equipped with solid geometry. In addition, however, also comes with a version with the exhaust gas turbine 3 with fixed geometry and the compressor 5 with variable compressor geometry 8th into consideration.

Als Dimensionierungsregel für die Abgasturbine 3 wird das Verhältnis PHIMot,Nenn/PHIT,Stopf von einem motorspezifischen, gegebenen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn, der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine in deren Nennpunkt bezeichnet, zu einem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf der Abgasturbine herangezogen. Der turbinenspezifische Durchsatzparameter PHIT kann als Funktion des Abgasmassenstroms m ., der Abgastemperatur T3 und des Abgasgegendrucks p3 im Abgasstrang stromauf der Abgasturbine bzw. im Bereich des Turbineneingangs gemäß der Beziehung

Figure 00070001
beschrieben werden; als Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf wird der sich bei dem überkritischen Turbinendruckverhältnis von 2,5 einstellende Wert für PHIT definiert. Das Verhältnis PHIMot,Nenn/PHIT,Stopf liegt in einem Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50: 1,05 < PHIMot,Nenn/PHIT,Stopf < 1,50,wobei sowohl der untere oder der obere Grenzwert selbst als auch beliebige Zwischenwerte zwischen den genannten Grenzwerten in Betracht kommen, so zum Beispiel 1,1, 1,2, 1,3 oder 1,4. Die Abgasturbine wird in der Weise ausgelegt, dass die vorgenannte Beziehung unter Berücksichtigung eines gegebenen und bekannten motorspezifischen Durchsatzparameters PHIMot,Nenn erfüllt ist.As sizing rule for the exhaust gas turbine 3 the ratio PHI Mot, nominal / PHI T, stuffing of a motor-specific, given throughput parameter PHI Mot, nominal , which denotes the total absorption behavior of the internal combustion engine in its nominal point, used to a turbine-specific Stopfdurchsatzparameter PHI T, stuffing of the exhaust gas turbine. The turbine-specific throughput parameter PHI T can be determined as a function of the exhaust gas mass flow m., Of the exhaust gas temperature T 3 and of the exhaust gas back pressure p 3 in the exhaust gas line upstream of the exhaust gas turbine or in the region of the turbine inlet according to the relationship
Figure 00070001
to be discribed; as stuffing rate parameter PHI T, stuffing , the value for PHI T is set at the supercritical turbine pressure ratio of 2.5. The ratio PHI Mot, nominal / PHI T, stuffing is in a value range between 1.05 and 1.50: 1.05 <PHI Mot, rated / PHI T, tamping <1.50, where either the lower or the upper limit itself as well as any intermediate values between the mentioned limit values come into consideration, for example 1.1, 1.2, 1.3 or 1.4. The exhaust gas turbine is designed in such a manner that the aforementioned relationship is satisfied in consideration of a given and known engine-specific flow rate parameter PHI Mot, Nenn .

Bei einer Auslegung der Abgasturbine 3 gemäß der vorgenannten Dimensionierungsregel wird ein bestmöglicher Kompromiss erzielt zwischen dem Erfordernis nach einem klein bauenden Abgasturbolader einerseits, welcher ein spontanes Ansprechverhalten aufweist, und einem Abgasturbolader mit hohem Durchsatzvermögen andererseits, der in der Lage ist, hohe Leistungen zu erzeugen. Der Wertebereich zwischen 1,05 und 1,50 bezeichnet denjenigen Bereich, der oberhalb des turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameters PHIT,Stopf und bei maximal geöffneter variabler Turbinengeometrie 7 durch ein Öffnen des Bypassventils 11 abgeleitet werden muss, um einen unzulässig hohen Anstieg des Abgasgegendrucks zu vermeiden.In a design of the exhaust gas turbine 3 According to the aforementioned dimensioning rule, the best possible compromise is achieved between the requirement for a small exhaust gas turbocharger on the one hand, which has a spontaneous response, and an exhaust gas turbocharger with high throughput on the other hand, which is able to produce high performance. The range of values between 1.05 and 1.50 refers to the range above the turbine-specific plug flow rate parameter PHI T, Stopf and at maximum open variable turbine geometry 7 by opening the bypass valve 11 must be derived in order to avoid an impermissibly high increase in the exhaust back pressure.

Das in 2 dargestellte Turbinendiagramm zeigt beispielhaft eine Auslegungsstrategie für eine Abgasturbine. Eingezeichnet ist in 2 in der y-Achse der Durchsatzparameter PHIT, welcher eine Maßzahl für den Abgasdurchsatz durch die Turbine darstellt, in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis πT, welches das Verhältnis des Abgasgegendrucks stromauf der Turbine zum entspannten Abgasdruck stromab der Turbine ausdrückt. Eingetragen sind in 2 verschiedene Kennlinien für den Durchsatzparameter PHIT, der sich gemäß der Beziehung

Figure 00080001
allgemein in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms m ., der Abgastemperatur T3 und des Abgasdrucks p3 berechnet.This in 2 illustrated turbine diagram shows an example of a design strategy for an exhaust turbine. Is marked in 2 in the y-axis of the flow rate parameter PHI T , which is a measure of the exhaust gas flow rate through the turbine, as a function of the pressure ratio π T , which expresses the ratio of the exhaust back pressure upstream of the turbine to the relaxed exhaust gas pressure downstream of the turbine. Registered in 2 different characteristics for the flow rate parameter PHI T , which varies according to the relationship
Figure 00080001
generally as a function of the exhaust gas mass flow m., The exhaust gas temperature T 3 and the exhaust gas pressure p 3 calculated.

Eingezeichnet ist auch der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf der Abgasturbine 3, der einen oberen Grenzwert für die jeweilige, eingesetzte Abgasturbine 3 darstellt. Mit strichlierter Linie ist außerdem eine Motor- Volllast-Betriebslinie 14 eingetragen, deren unterer Ast entlang einer unteren Grenzlinie 16 verläuft, bei der die variable Turbinengeometrie 7 der Abgasturbine 3 in ihrer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt minimierenden Staustellung steht. Mit ansteigender Last verlässt die Motor-Volllast-Betriebslinie 14 die untere Grenzlinie 16 und steigt bis zum Erreichen ihres Maximums beim motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn stark an. Hierbei durchstößt die Motor-Volllast-Betriebslinie den turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf der Abgasturbine 3, der in Abhängigkeit der jeweils eingesetzten Abgasturbine 3 einen bestimmten, konstanten Wert einnimmt. Der turbinenspezifische Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf stellt einen Grenzwert dar, welcher asymptotisch erreicht wird, wenn die variable Turbinengeometrie 7 in ihrer maximalen Öffnungsstellung steht, was in 2 mit der Kennlinie 17 gekennzeichnet ist.Also marked is the turbine-specific plug flow rate parameter PHI T, the stuffing box of the exhaust gas turbine 3 , which is an upper limit for the respective exhaust gas turbine used 3 represents. Dashed line is also an engine full load operating line 14 registered, whose lower branch along a lower borderline 16 runs, where the variable turbine geometry 7 the exhaust gas turbine 3 is in its the effective turbine inlet cross-section minimizing stowed position. As the load increases, the engine full load operating line exits 14 the lower limit line 16 and increases until it reaches its maximum at the engine-specific throughput parameter PHI Mot, Nenn . Here, the engine full load operating line penetrates the turbine-specific Stopfdurchsatzparameter PHI T, stuffing of the exhaust gas turbine 3 , which depends on the exhaust gas used in each case 3 takes a certain, constant value. The turbine specific plug flow rate parameter PHI T, Stopf represents a limit which is achieved asymptotically when the variable turbine geometry 7 in its maximum open position is what's in 2 with the characteristic 17 is marked.

Im Wertebereich zwischen dem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf und dem darüber liegenden motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn ist die Abgasturbine 3 nicht mehr in der Lage, den erforderlichen Durchsatz von Abgas mit noch akzeptablen Abgasgegendruck zu gewährleisten. Die mit Bezugszeichen 15 in 2 bezeichnete Abblasemenge zwischen diesen beiden Parametern stellt den Überschuss dar, welcher mittels einer Öffnung des Bypassventils 11 über den Bypass 10 abgeblasen wird.The value range between the turbine-specific fuel flow rate parameter PHI T, Stopf and the overlying engine-specific throughput parameter PHI Mot, Nenn is the exhaust gas turbine 3 no longer able to ensure the required throughput of exhaust with still acceptable exhaust backpressure. The with reference numerals 15 in 2 designated Abblasemenge between these two parameters represents the excess, which by means of an opening of the bypass valve 11 over the bypass 10 is blown off.

Die Einstellung sowohl der variablen Turbinengeometrie 7 als auch der variablen Verdichtergeometrie 8 und des Bypassventils 11 erfolgt auf Basis einer Druckregelung, wobei als zu messender Druck der Ladedruck p2,S im Ansaugtrakt 4 stromab des Verdichters 5 mittels geeigneter Drucksensoren ermittelt wird. Dieser Ladedruck p2,S stellt zugleich ein Maß für den aktuell herrschenden Abgasgegendruck dar, so dass bei einer Überschreitung eines Grenzwertes für den Ladedruck Maßnahmen zur Reduzierung des Abgasgegendruckes eingeleitet werden können, insbesondere eine Abblasung über den Bypass 10 und/oder eine Öffnung der variablen Turbinengeometrie 7.The setting of both the variable turbine geometry 7 as well as the variable compressor geometry 8th and the bypass valve 11 takes place on the basis of a pressure control, wherein as the pressure to be measured, the boost pressure p 2, S in the intake 4 downstream of the compressor 5 is determined by means of suitable pressure sensors. This boost pressure p 2, S also represents a measure of the currently prevailing exhaust backpressure, so that measures can be taken to reduce the exhaust backpressure when exceeding a limit value for the boost pressure, in particular a blow-off via the bypass 10 and / or an opening of the variable turbine geometry 7 ,

Claims (6)

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine (3) im Abgasstrang (4) und dessen Verdichter (5) im Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei im Abgasstrang (4) ein die Abgasturbine (3) überbrückender Bypass (10) mit einem einstellbaren Bypassventil (11) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) in der Weise dimensioniert ist, dass das Verhältnis PHIMot,Nenn/PHIT,Stopf von einem gegebenen motorspezifischen Durchsatzparameter PHIMot,Nenn, der das Gesamtschluckverhalten der Brennkraftmaschine (1) in deren Nennpunkt bezeichnet, zu einem turbinenspezifischen Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf der Abgasturbine (3), der als Funktion des Abgasmassenstroms m ., der Abgastemperatur T3 und des Abgasgegendrucks p3, der gemäß der Beziehung
Figure 00110001
bei einem vorgegebenen Turbinendruckverhältnis zu ermitteln ist, in folgendem Wertebereich liegt: 1,5 < PHIMot,Nenn/PHIT,Stopf < 1,0. Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger whose exhaust gas turbine ( 3 ) in the exhaust line ( 4 ) and its compressor ( 5 ) in the intake tract ( 6 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is arranged, wherein in the exhaust line ( 4 ) the exhaust gas turbine ( 3 ) bridging bypass ( 10 ) with an adjustable bypass valve ( 11 ), characterized in that the exhaust gas turbine ( 3 ) is dimensioned in such a way that the ratio PHI Mot, nominal / PHI T, stuffing of a given engine-specific throughput parameter PHI Mot, nominal , the total absorption behavior of the internal combustion engine ( 1 ) at its nominal point, to a turbine-specific Stopfdurchsatzparameter PHI T, stuffing of the exhaust gas turbine ( 3 ), which as a function of the exhaust gas mass flow m., The exhaust gas temperature T 3 and the exhaust gas back pressure p 3 , according to the relationship
Figure 00110001
is to be determined at a given turbine pressure ratio, lies in the following range of values: 1.5 <PHI Mot, rated / PHI T, tamping <1.0. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Turbinendruckverhältnis 2,5 beträgt.Internal combustion engine according to claim 1, characterized that the given turbine pressure ratio is 2.5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (7) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist.Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust gas turbine ( 3 ) with variable turbine geometry ( 7 ) is equipped for variable adjustment of the effective turbine inlet cross-section. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfdurchsatzparameter PHIT,Stopf auf die maximale Öffnungsstellung der variablen Turbinengeometrie (7) bezogen ist.Internal combustion engine according to claim 3, characterized in that the Stopfdurchsatzparameter PHI T, Stopf to the maximum open position of the variable turbine geometry ( 7 ) is related. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (5) mit variabler Verdichtergeometrie (8) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Verdichtereintrittsquerschnitts ausgestattet ist.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor ( 5 ) with variable compressor geometry ( 8th ) is equipped for variable adjustment of the effective compressor inlet cross section. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck (p2,S) im Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (1) gemessen und für den Fall der Überschreitung eines Grenzwerts das Bypassventil (11) zur Umgehung der Abgasturbine (3) geöffnet wird.Method for operating an internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the boost pressure (p 2, S ) in the intake tract ( 6 ) of the internal combustion engine ( 1 ) and in case of exceeding a limit the bypass valve ( 11 ) for bypassing the exhaust gas turbine ( 3 ) is opened.
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