DE102005021173A1

DE102005021173A1 - Verfahren zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102005021173A1
Application number: DE102005021173A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. Schmid; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2007093195A1

Abstract

Es ist bekannt, Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie auszustatten, um die Strömung auf das Turbinenrad entsprechend anzupassen. Auch der Einsatz der variablen Turbinengeometrie zum Zwecke der Motorbremse ist bekannt. DOLLAR A Um künftige NOx-Grenzwerte einhalten zu können, wird ein Verfahren zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine (1) mit Abgasturbolader (2) vorgeschlagen, wobei der Abgasturbolader (2) eine Abgasturbine (3) umfasst, die zwei separate, einem Turbinenrad (5) der Abgasturbine (3) vorgelagerte Strömungsfluten (14, 15) mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist. Jede Strömungsflut (14; 15) ist mit jeweils einer Abgasleitung (20; 21) zur Versorgung mit Abgas verbunden, und über eine variable Turbinengeometrie (50; 60) wird eine Steuerung der Abgase auf die Abgasturbine (3) durchgeführt, wobei zur Abgasrückführung eine Abgasrückführleitung (35) von der zur kleineren Strömungsflut (14) gehörenden Abgasleitung (20) aus über ein Steuerelement (32) zu einem Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (3) führt. Die variable Turbinengeometrie (50; 60) wird zusätzlich zur Betriebsweise der Brennkraftmaschine (1) als Motorbremse auch in einem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine betätigt, wonach das Steuerelement (32) in seine Offenstellung gebracht wird und die Abgase in den Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine rückgeführt werden. DOLLAR A Die Erfindung ist für Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung und Motorbremse, insbesondere für Nutzfahrzeuge, ...

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits ein Abgasturbolader bekannt ( DE 199 24 228 C2 ), dessen Turbinengehäuse zweiflutig ausgebildet ist. Die Regelung der Abgaszuführung auf ein Turbinenrad der Abgasturbine erfolgt über einen Axialschieber, welcher eine der Fluten vollständig überdecken kann, so dass die Abgaszuführung über eine stromaufwärts befindliche Flutverbindung über eine einzige Flut auf das Turbinenrad erfolgt. Der Schieber ist eine einfache Hülse ohne die Strömung im Sinne einer variablen Turbinengeometrie zu beeinflussen. Eine derartige Steuerung der Abgasmenge ist im nichtbefeuerten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine üblich, in welchem die Brennkraftmaschine als Motorbremse (Turbobrake) wirken soll. Die im Motorbremsbetrieb relativ geringe Abgasmenge wird über die kleinere Flut dem Turbinenrad zugeführt, die dem geringeren Abgasstrom mit ihrem Eintrittsquerschnitt entsprechend dimensioniert ist, so dass eine relativ hohe Drehzahl des Turbinenrades und eines über eine Welle mit dem Turbinenrad verbundenen Verdichters aufrecht erhalten werden kann. Durch die relativ hohe Drehzahl des Verdichterrades ergibt sich auch im Motorbremsbetrieb eine Verdichtung der angesaugten Luft und damit eine entsprechende Motorbremsleistung.

Es ist ferner bekannt, Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie auszustatten, um die Strömung auf das Turbinenrad entsprechend anzupassen. Auch der Einsatz der variablen Turbinengeometrie zum Zwecke der Motorbremse ist bekannt. Ein zusätzlicher Einsatz der variablen Turbinengeometrie zur effizienten Abgasrückführung ist jedoch nicht bekannt, um künftige NOx-Grenzwerte einhalten zu können, die auch im Teillastbereich der Brennkraftmaschine hohe Abgasrückführraten von mehr als 50 % erfordern.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass mit einer vorhandenen variablen Turbinengeometrie der Abgasturbine zum Zwecke der Motorbremse in einfacher Art und Weise auch eine Abgasrückführung durchführbar ist, bei der hohe Abgasrückführraten von mehr als 50 % bewerkstelligt werden können.

Durch die in Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader möglich.

Vorteilhaft ist dabei, dass durch zumindest ein Steuerelement sich sehr variabel eine Einstellung eines gewünschten Aufstaudrucks an der Turbine erzielen lässt, wodurch sich neben der Einstellung der Motorbremsleistung auch die Abgasrückführrate gut einstellen lässt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Zeichnung zeigt in schematisch vereinfachter, teilweiser Schnittdarstellung eine Brennkraftmaschine 1, bei der es sich um einen Dieselmotor mit Motorbremse, insbesondere zum Einsatz für Nutzfahrzeuge, handelt. Die Erfindung ist prinzipiell aber auch auf Ottomotoren übertragbar. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 im Abgasstrang 4 auf. Die Turbine 3 besitzt ein Turbinenrad 5, welches als Radialturbine ausgebildet ist und die Bewegung des Turbinenrades 5 über eine Welle 7 auf ein Verdichterrad 8 eines Verdichters 9 überträgt. Die Turbine 3 weist ein Turbinengehäuse 19 auf, welches zweiflutig mit zwei Fluten 14, 15 bzw. Einströmkanälen 16, 17 ausgebildet ist. Die beiden Fluten 14, 15 bzw. Einströmkanäle 16, 17 sind durch eine gehäusefeste Trennwand 18 des Turbinengehäuses 19 voneinander getrennt.

Über jede Flut 14, 15 bzw. Einströmkanal 16, 17 ist das Abgas separat zu dem Turbinenrad 5 zuführbar. Die Abgaszuführung erfolgt über den Abgasstrang 4, der in zwei unabhängig voneinander ausgebildete Abgasleitungen, eine erste Abgasleitung 20 und eine zweite Abgasleitung 21, aufgeteilt ist. Die erste Abgasleitung 20 ist der ersten Flut 14 und die zweite Abgasleitung 21 ist der zweiten Flut 15 zugeordnet. Jede Abgasleitung 20, 21 ist einer definierten Anzahl von Zylinderauslässen der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 1 sechs Zylinder auf, wobei eine erste Zylinderbank 23, drei Zylinder und eine zweite Zylinderbank 24, ebenfalls drei Zylinder aufweist. Denkbar ist neben der gleichförmigen Aufteilung der Zylinderbänke auch eine ungleichförmige. Die erste Abgasleitung 20 führt von der hier zugeordneten Zylinderbank 23 zum ersten Einströmkanal 16 der ersten Flut 14. Die zweite Abgasleitung 21 führt von der ihr zugeordneten zweiten Zylinderbank 24 zum zweiten Einströmkanal 17 der zweiten Flut 15.

Zwischen den beiden Abgasleitungen 20, 21 ist stromauf der Turbine 3 eine beide Abgasleitungen 20, 21 verbindende Überbrückungsleitung 25 vorgesehen. In der Überbrückungsleitung 25 ist ein erstes Steuerelement 30 untergebracht, welches den Abgasstrom in der Überbrückungsleitung 25 steuern kann. Das erste Steuerelement 30 ist zum Beispiel als den Durchfluss steuerndes Ventil (Umblaseventil) oder als einstellbares Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet. In Offenstellung des ersten Steuerelements 30 ist ein Überströmen mit Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen 20, 21 möglich. Hingegen erfolgt in einer Schließstellung kein Druckausgleich zwischen den Abgasleitungen 20, 21. Von der zweiten Abgasleitung 21 stromauf zur Turbine 3 zweigt eine Abblaseleitung 40 ab, in der ein drittes Steuerelement 33 eingebracht ist, welches ebenfalls als den Durchfluss steuerndes Ventil oder als Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet ist. In Offenstellung des dritten Steuerelements 33 wird der Abgasstrom um die zweite Flut 15 herum geführt und stromab des Turbinenrades 5 in eine anschließende Abgasleitung 10 geleitet.

Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführung auf, die eine Rückführleitung 35, gegebenenfalls einen Abgaskühler 36 und ein zweites Steuerelement 32 umfasst. Das zweite Steuerelement 32 kann als ein den Durchfluss steuerndes Ventil (Abgasrückführventil) oder als Drosselorgan bzw. Klappe ausgebildet sein und ist stromauf der ersten Flut 14 und zum Beispiel stromauf des Abgaskühlers 36 in der Rückführleitung 35 angeordnet. Vorzugsweise ist eine Ausbildung des zweiten Steuerelements 32 als Schaltventil vorgesehen, das keine Zwischenstellung, sondern nur eine Offen- und eine Schließstellung einnehmen kann. Die Rückführleitung 35 mündet in einen Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1 stromab eines Ladeluftkühlers 37 für die Ansaugluft. Der Ansaugtrakt 6 umfasst den Verdichter 9 mit dem Verdichterrad 8, der Umgebungsluft mit dem Druck p1 ansaugt und auf einen erhöhten Druck p2 verdichtet. Stromab des Verdichters 9 ist im Ansaugtrakt 6 der Ladeluftkühler 37 angeordnet, der von der verdichteten Luft durchströmt wird. Nach dem Verlassen des Ladeluftkühlers 37 weist die Luft den Ladedruck p2S auf, mit dem sie gegebenenfalls mit vermischtem Abgas aus der Rückführleitung 35 in den Zylindereinlass der Brennkraftmaschine 1 eingeleitet wird.

Vom Zylinderauslass herrscht in der ersten Abgasleitung 20, die der ersten Zylinderbank 23 zugeordnet ist, der Abgasgegendruck p31; in der zweiten Abgasleitung 21, die der zweiten Zylinderbank 24 zugeordnet ist, liegt der Abgasgegendruck p32 an. In der Turbine 3 wird das Abgas auf den niedrigen Druck p4 entspannt und im weiteren Verlauf über die an die Turbine 3 angeschlossene Abgasleitung 10 und einem nicht näher dargestellten Katalysator schließlich in die Umgebung abgeblasen.

Die zweite, größere Flut 15 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass ein gewünschter Ladedruck im befeuerten Betrieb erzielt werden kann. Die erste, kleinere Flut 14 wird so dimensioniert bzw. ausgelegt, dass eine geforderte Abgasrückführrate erzielt werden kann, wobei eine bestimmte Motorbremsleistung im Motorbremsbetrieb gewährleistet wird. Das Verhältnis des Eintrittsquerschnittes bzw. Halsquerschnittes von erster Flut 14 pro 1 l Hubvolumen der Brennkraftmaschine 1 sollte dabei in einem Bereich von 0.15 cm²/l bis 0.40 cm²/l liegen.

Der Abgasstrom in den beiden unterschiedlich großen Fluten 14, 15 des asymmetrisch gestalteten Turbinengehäuses 19 kann von einem hülsenförmigen, axial beweglichen Schieber 50 gesteuert werden. Der Schieber 50 weist starre Leitschaufeln auf, die ein Leitgitter bilden, wozu die Leitschaufeln entsprechend über den Umfang verteilt angeordnet sind. Ein derartiger Schieber 50 ist zum Beispiel aus der DE 198 16 645 A1 bekannt, dessen Offenbarung ausdrücklich Bestandteil der Beschreibung ist. In der Zeichnung ist der Schieber 50 in seiner Schließstellung angedeutet dargestellt, bei der zumindest beide Fluten 14, 15 von einem Leitgitterbereich des Schiebers 50 abgedeckt sind. Der hülsenförmige Schieber 50 umgibt mit seinem Leitgitterbereich das Turbinenrad 5 und wird bisher ausschließlich im nichtbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine mehr oder weniger über einen Aktuator 70 eingeschoben, um über die Leitgitterschaufeln die Menge des Abgases gezielt auf das Turbinenrad 5 zu leiten, wodurch eine optimale Anpassung der Abgasmenge erfolgt, die zu einer Erhöhung der Abgasturboladerdrehzahl führt. Eine Erhöhung der Abgasturboladerdrehzahl führt wiederum zu einer Erhöhung der Verdichterleistung des Verdichters und damit zum Steigen des Ladedrucks p2s, was im nichtbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wiederum die Motorbremsleitung steigert.

Ferner ist es bekannt, bei hohen Motordrehzahlen bzw. hohen Abgasmengen die Abblaseinrichtung zu betätigen, die aus dem dritten Steuerelement 33 und der Abblaseleitung 40 besteht. In einer Offenstellung des dritten Steuerelements 33 erfolgt eine Umgehung des Turbinenrades 5 mit dem Abgas aus der zweiten Abgasleitung 21 in die Abblaseleitung 40. Das für die zweite Flut 15 vorgesehene Abgas wird über die Abblaseleitung 40 um das Turbinerad 5 herum geführt und in die Abgasleitung 10 geleitet. Die Menge ist dabei von dem dritten Steuerelement 33 entsprechend steuerbar, um so die Turbine 3 bzw. den Abgasturbolader 2 vor zu hohen Drehzahlen und zu hohen Ladedrücken zu schützen.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Schieber 50 mit dem Leitgitter auch im befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine einzuschieben bzw. zwischen dem Turbinenrad 5 und beiden Fluten 14, 15 einzubringen, um durch den sich dann einstellenden erhöhten Druck vor Turbine 3 p31 und p32, der größer ist als der Ladedruck P2s, eine effektive, mit hohen Abgasraten von mehr als 50 % gekennzeichnete Abgasrückführung zu erhalten. Die Betätigung des Schiebers 50 erfolgt in üblicher Weise mittels eines Aktuator 70, z. B. mittels Hebelmechanismus oder elektrischem, hydraulischem oder pneumatischem Stelltrieb oder dergleichen. Das Abgas wird aus den beiden Abgasleitungen 21, 22 bei offenem ersten Steuerelement 30 und offenem zweiten Steuerelement 32 über die Rückführleitung 35 in den Ansaugtrakt 6 eingebracht. Eine Abgasrückführung ist dabei im normalen befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine von niedrigen bis hohen Drehzahlen durchführbar.

Anstelle der aufgezeigten Schieberlösung ist es auch möglich, wie in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist, ein Leitgitter 60 mit verstellbaren Leitgitterschaufeln einzusetzen. Ein derartiges Leitgitter ist zum Beispiel aus der DE 197 52 534 C1 oder aus der DE 199 05 637 C1 bekannt, deren Offenbarung ausdrücklich Bestandteil der Anmeldung sein soll. Ähnlich der Schieberlösung ist vorgesehen, die Leitschaufeln mit dem Leitgitter 60 durch einen entsprechenden Aktuator 70 auch im befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 in ihrem Durchströmquerschnitt so zu verengen, dass sich ein erhöhter Aufstaudruck vor Turbine 3 p31 und p32 ergibt, der größer ist als der Ladedruck P2s. Damit ist eine sehr effektive, mit hohen Abgasraten von mehr als 50 % gekennzeichnete Abgasrückführung möglich. Die Abgasrückführung ist dabei im normalen befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine von niedrigen bis hohen Drehzahlen möglich. Die Betätigung der verstellbaren Leitschaufeln des Leitgitters 60 erfolgt in üblicher Weise mittels eines Aktuator 70, z. B. mittels Hebelmechanismus oder elektrischem, hydraulischem oder pneumatischem Stelltrieb oder dergleichen. Das Abgas wird aus den beiden Abgasleitungen 21, 22 bei offenem ersten Steuerelement 30 und offenem zweiten Steuerelement 32 über die Rückführleitung 35 in den Ansaugtrakt 6 eingebracht. Eine Abgasrückführung ist dabei im normalen befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine von niedrigen bis hohen Drehzahlen durchführbar.

Zur Variation der Rückführrate des Abgases kann das erste Steuerelement 30 oder das zweite Steuerelement 32 auch eine entsprechende Durchflussstellung zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung einnehmen.

Sämtliche Steuerelemente 30, 32, 33 können über Stellsignale, die in einer nicht näher dargestellten Regel- und Steuereinrichtung, zum Beispiel einem elektronischen Motorsteuergerät, erzeugbar sind, in ihre gewünschte Position verstellt werden, um so eine Steuerung der Durchflussmenge zu ermöglichen. In gleicher Weise ist über die Regel- und Steuereinrichtung auch eine Ansteuerung der Aktuatoren 70 für den Schieber 50 oder für das Leitgitter 60 mit verstellbaren Leitschaufeln möglich.

Claims

Verfahren zur Abgasrückführung für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader eine Abgasturbine umfasst, die zwei separate, einem Turbinenrad der Abgasturbine vorgelagerte Strömungsfluten mit unterschiedlichem Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strömungsflut (14; 15) mit jeweils einer Abgasleitung (20; 21) zur Versorgung mit Abgas verbunden ist, und über eine variable Turbinengeometrie (50; 60) eine Steuerung der Abgase auf die Abgasturbine (3) durchgeführt wird, wobei zur Abgasrückführung eine Abgasrückführleitung (35) von der zur kleineren Strömungsflut (14) gehörenden Abgasleitung (20) aus über ein Steuerelement (32) zu einem Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine (3) führt, wobei die variable Turbinengeometrie (50; 60) zusätzlich zur Betriebsweise der Brennkraftmaschine (1) als Motorbremse auch in einem befeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine betätigt wird, wonach das Steuerelement (32) in seine Offenstellung gebracht wird und die Abgase in den Ansaugtrakt (6) der Brennkraftmaschine rückgeführt werden.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der variablen Turbinengeometrie um einen Schieber (50) mit Leitgitter und Leitgitterschaufeln handelt, der zwischen den Fluten (14, 15) und dem Turbinenrad (5) eingebracht wird.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der variablen Turbinengeometrie um ein Leitgitter (60) mit verstellbaren Leitgitterschaufeln handelt, das zwischen den Fluten (14, 15) und dem Turbinenrad (5) eingebracht wird.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasrückführbetrieb ein weiteres, den Durchfluss steuerndes Steuerelement (30) in einer beide Abgasleitungen (20, 21) stromauf der Strömungsfluten (14, 15) verbindenden Überbrückungsleitung (25) geöffnet wird.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz des Abgasturboladers (2) ausgehend von der größeren Strömungsflut (15) von der zweiten Abgasleitung (21) eine Abblaseleitung (40) abzweigt, in der für die größere Strömungsflut (15) vorgesehenes Abgas in einer Offenstellung eines in der Abblaseleitung (40) vorgesehenen, dritten Steuerelements (33) strömt und eine Umgehung der Abgase um die Turbine (3) herum ermöglicht wird.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (30; 32; 33) als den Durchfluss steuernde Ventile oder als einstellbare Drosselorgane bzw. Klappen ausgebildet sind.
Verfahren zur Abgasrückführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Rückführleitung (35) verbaute Steuerelement (32) als Schaltventil ausgebildet ist.