DE102004028271A1

DE102004028271A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004028271A1
Application number: DE102004028271A
Authority: DE
Inventors: Knut Dr. Habermann
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine eine Drosselklappe (5) für die Luftzufuhr aufweisende Brennkraftmaschine mit einem Verdichter, der einen Lufteinlaß (3) für zu verdichtende Luft, ein Verdichterrad (1) und einen Luftauslaß (4) für verdichtete Luft aufweist, und einer Bypassleitung (6) mit einem ansteuerbaren Bypassventil (7), wobei das Bypassventil (7) an beliebigen Betriebspunkten bei plötzlicher Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsanforderung aufsteuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus DE 102 56 966 A1 ist ein derartiger Abgasturbolader bekannt, bei dem eine mit einem Bypassventil versehene Bypassleitung vorgesehen ist, die die Zirkulation von Luft im Kreis um den Verdichter herum über den vorgeschalteten Luftfilter erlaubt, so daß die Drehzahl des Abgasturboladers nicht schlagartig abfallen kann. Hierbei öffnet das Bypassventil in Abhängigkeit von einer Druckänderung im Bereich stromabwärts vom Verdichter. Die Stellung der Drosselklappe wird hierbei abgetastet und daraus ein Stellsignal für das Bypassventil erzeugt, wenn ein plötzliches Schließen der Drosselklappe festgestellt wird. Hierbei ist ein Magnetventil vorgesehen, das das Bypassventil steuert. Allerdings wird das Bypassventil nur beim plötzlichen Schließen der Drosselklappe und nachfolgendem Druckanstieg geöffnet, nicht aber an beliebigen Betriebspunkten und insbesondere nicht im Teillastbetrieb, wenn die Drosselklappe weiter öffnet, d.h. bei plötzlicher Beschleunigungsanforderung im Teillastbetrieb ergibt sich ein sogenanntes "Turboloch", bis das Laufzeug des Abgasturboladers wieder genügend beschleunigt ist. Das Ansprech- bzw. Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine ist dementsprechend im Teillastbereich, insbesondere im tiefen Teillastbereich, schlecht.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der das Ansprech- bzw. Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine steigert.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung betrifft dementsprechend einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter, der einen Lufteinlaß für zu verdichtende Luft, ein Verdichterrad und einen Luftauslaß für verdichtete Luft aufweist, und einer Bypassleitung mit einem ansteuerbaren Bypassventil, wobei das Bypassventil an beliebigen Betriebspunkten, insbesondere in der tiefen Teillast, bei plötzlicher Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsanforderung zum Öffnen ansteuerbar ist.

Im Teillastbetrieb, insbesondere im tiefen Teillastbetrieb, ist die Drosselklappe der Brennkraftmaschine fast geschlossen, daher ist der Abgasstrom entsprechend gering und die Turbine des Abgasturboladers folglich auf niedriger Drehzahl. Wird nun die Drosselklappe zum Beschleunigen plötzlich geöffnet, so stellt der Verdichter aufgrund der im Vergleich zur angeforderten Eingangsströmung niedrigen Drehzahl einen relativ großen Strömungswiderstand dar. Dieser wird durch den Umluftstrom der Bypassleitung verringert, so daß der Lufteinlaßstrom in schnellerem Maße zunimmt. Dies gilt dann auch für den Abgasstrom entsprechend, der die Drehzahl der Turbine des Abgasturboladers entsprechend schneller erhöht. Folglich wird das Ansprech- bzw. Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine gesteigert.

Vorzugsweise erfolgt die Einmündung der Umluftströmung aus der Bypassleitung auf das Verdichterrad derart, daß dieses hiervon nach Art einer Pelton-Turbine angetrieben wird. Hierdurch wird die in der Bypassleitung vorhandene starke Umluftströmung zum Antreiben des Verdichterrads genutzt. Dazu mündet die Bypassleitung nicht einfach hinter dem Verdichter ein, sondern vielmehr derart im Bereich des Auslasses des Verdichters, daß die Schaufeln des Verdichterrads zumindest von einem Teilstrom angeblasen werden, so daß die Strömungsenergie der Umlaufströmung oder ein Teil hiervon zum Beschleunigen des Verdichterrads und damit der Turbine des Abgasturboladers genutzt werden.

Vorteilhafterweise kann mittels der Bypassleitung auch die Funktion der Erzeugung einer Umluftströmung bei plötzlich schließender Drosselklappe erfüllt werden. Hierzu ist lediglich vorzusehen, daß in diesem Fall das Bypassventil schnell aufsteuerbar ist. Die Strömungsrichtung ist dann wegen der in diesem Fall geschlossenen Drosselklappe automatisch umgekehrt zum Beschleunigungsvorgang. Die für die Teillast optimale Einmündung der Bypassleitung ist zwar für den Umluftstrom bei geschlossener Drosselklappe nicht optimal, kann aber durch entsprechende Gestaltung und Dimensionierung abgestimmt werden.

Ein Stellungssensor für die Drosselklappe ist in beiden Anwendungsfällen von Nutzen, um das plötzliche Öffnen bzw. Schließen der Drosselklappe zu erfassen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Verdichterbereich eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in Seitenansicht.
2 zeigt schematisch den Verdichterbereich des Abgasturbolader von 1 in Frontansicht.
Der dargestellte Abgasturbolader umfaßt neben einer (nicht dargestellten) Turbine mit einem abgasgetriebenen Turbinenrad einen Verdichter mit einem Schaufeln 1a aufweisenden Verdichterrad 1, das mit dem Turbinenrad auf derselben Achse 2 angeordnet ist. Der Verdichter umfaßt ferner eintrittsseitig einen Lufteinlaß 3 etwa in Form eines mit einer Luftzuführleitung verbindbaren Zuführstutzen und austrittsseitig einen das Verdichterrad 1 abdeckenden Luftauslaß 4 in Form einer Schnecke, die sich in Richtung zu einer stromabwärtigen Drosselklappe 5 der Brennkraftmaschine diffusorartig erweitert.
Beispielsweise von einem nicht dargestellten Luftfilter kommende, zur Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine benötigte Luft, deren Menge über die Drosselklappe 5 gesteuert wird, tritt über den Zuführstutzen 3 in den Verdichter ein und verdichtet über die Austrittsleitung 4 aus.
Vom Luftauslaß 4 führt eine Bypassleitung 6 zur Eintrittsseite des Verdichters und mündet dort im Lufteinlaß 3. In der Bypassleitung 6 ist ein ansteuerbares Bypassventil 7 angeordnet. Das Bypassventil 7 ist an beliebigen Betriebspunkten bei plötzlicher Beschleunigungsanforderung aufsteuerbar.
Die Bypassleitung 6 mündet im Bereich des Verdichterrades 1 – am Anfang der Schnecke – tangential zum Verdichterrad 1, so daß der aus der Bypassleitung 6 infolge Aufsteuerung des Bypassventils 7 austretende Umluftstrom mindestens teilweise eine drallerzeugende, auf die Schaufeln 1a des Verdichterrads 1 wirkende Komponente aufweist, die zu höheren Turboladerdrehzahlen führt. Hierbei wird das Verdichterrad 1 vom Umluftstrom in der Art einer Pelton-Turbine angetrieben. Zur Steigerung dieser Wirkung kann die Mündung 8 der Bypassleitung 6 düsenartig ausgebildet sein.
Wird dagegen die Drosselklappe 5 plötzlich geschlossen, ist das Bypassventil 7 ebenfalls plötzlich aufsteuerbar. Allerdings verläuft dann der Umluftstrom in der Bypassleitung 6 aufgrund der geschlossenen Drosselklappe in umgekehrter Richtung im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Fall der Aufsteuerung infolge plötzlicher Beschleunigungsanforderung.
Bei dem Bypassventil 7 handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Magnetventil etwa in Form einer durch einen Elektromagneten 9 ansteuerbaren Drosselklappe 10. Das Bypassventil 7 wird über eine Steuerung 11 beim plötzlichen Öffnen der Drosselklappe 5 angesteuert. Die Stellung der Drosselklappe 5 wird zweckmäßigerweise über einen mit der Steuerung 11 gekoppelten Stellungssensor 12 überwacht.
Die Bypassleitung 6 kann zweckmäßigerweise im Turboladergehäuse integriert sein.
Anstelle einer Mündung 8 der Bypassleitung 6 können auch mehrere am Umfang des Verdichterrads 1 verteilte Mündungen 8 vorgesehen sein, die ansonsten wie die einzelne Mündung 8 zumindest teilweise vorzugsweise tangential auf das Verdichterrad 1 gerichtet und gegebenenfalls düsenartig ausgebildet sein können.

Claims

Abgasturbolader für eine eine Drosselklappe (5) für die Luftzufuhr aufweisende Brennkraftmaschine mit einem Verdichter, der einen Lufteinlaß (3) für zu verdichtende Luft, ein Verdichterrad (1) und einen Luftauslaß (4) für verdichtete Luft aufweist, und einer Bypassleitung (6) mit einem ansteuerbaren Bypassventil (7), dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (7) zumindest im tiefen Teillastbetrieb bei plötzlicher Beschleunigungs- oder Verzögerungsanforderung aufsteuerbar ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (7) an beliebigen Betriebspunkten bei plötzlicher Beschleunigungsanforderung aufsteuerbar ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (6) eine oder mehrere am Umfang des Verdichterrads (1) verteilte Mündungen (8) aufweist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (8) der Bypassleitung (6) auf das Verdichterrad (1) gerichtet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (8) der Bypassleitung (6) wenigstens teilweise auf das Verdichterrad (1) gerichtet sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (8) der Bypassleitung (6) tangential auf das Verdichterrad (1) gerichtet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (8) der Bypassleitung (6) wenigstens teilweise tangential auf das Verdichterrad (1) gerichtet sind.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad (1) von wenigstens einem Teil des aus der Bypassleitung (6) strömenden Umluftstroms nach Art einer Pelton-Turbine antreibbar ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (6) am Anfang des Luftauslasses (4) mündet.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Mündung (8) der Bypassleitung (6) düsenartig ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (7) bei plötzlich schließender Drosselklappe (5) schnell aufsteuerbar ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypassventil (7) über eine Signalauswertung von Signalen eines Stellungssensors (12) für die Drosselklappe (5) ansteuerbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer Drosselklappe (5) für die Luftzufuhr, mit einem Abgasturbolader mit einem Verdichter, der einen Lufteinlaß (3) für zu verdichtende Luft, ein Verdichterrad (1) und einen Luftauslaß (4) für verdichtete Luft aufweist, und mit einer Bypassleitung (6) mit einem ansteuerbaren Bypassventil (7), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im tiefen Teillastbetrieb bei plötzlicher Beschleunigungsanforderung durch plötzliches weiteres Öffnen der Drosselklappe (5) das Bypassventil (7) aufgesteuert wird, um den Strömungswiderstand des Verdichters zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei plötzlichem Schließen der Drosselklappe (5) das Bypassventil (7) schnell aufgesteuert, um die Drehzahl des Abgasturboladers sanft zu verringern.