DE102005052496A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem einen Verdichter (6) und eine abgasbetriebene Turbine (3) umfassenden Abgasturbolader (2) im Ansaugtrakt, wobei dem Verdichter (6) ein Ladeluftkühler (9) nachgeschaltet ist, vom Abgastrakt eine erste Abgasrückführleitung (4) an der Turbine (3) und eine zweite ventilgesteuerte Abgasrückführleitung (10) im Ansaugtrakt am Verdichter (6) mündet, wobei die zweite Abgasrückführleitung (10) eine Abzweigung, die bei einem Betriebszustand mit mittlerer Last über ein Umschaltventil (12) in der zweiten Abgasrückführleitung (10) mit der Hochdruckseite des Verdichters (6) verbunden ist, aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus DE 102 44 535 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, bei dem eine vor dem Verdichter mündende und über einen Wärmetauscher führende, ventilgesteuerte Abzweigleitung im Abgastrakt vorgesehen ist, um eine Verringerung der Drehzahlschwankungen im Abgasturbolader sowie eine Stickoxidreduktion vor allem in Betriebszuständen mit kleinen Lasten bzw. Drehzahlen zu erreichen, bei denen aufgrund des geringen Ansaugdrucks im Ansaugtrakt eine die Abgasrückführung unterstützende Druckdifferenz herrscht.
  • Ferner ist aus US 6 899 090 B2 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, bei der Abgas direkt über einen Abgaskühler mit Ladeluft gemischt dem Motor zu- bzw. über die Turbine des Abgasturboladers geführt sowie gegebenenfalls ein Teil des letzteren nach einer Abgasnachbehandlung ventilgesteuert abgezweigt und der Frischluft vor dem Verdichter zugeführt werden kann, damit in Betriebszuständen mit geringen Drücken die Dynamik des Abgasturboladers verbessert wird, während für Betriebszustände mit mittleren Drücken eine direkte Abgasrückführung zum Motor verwendet wird. Hierbei ist die Anbindung im Anschluß an die Abgasnachbehandlung relativ aufwendig und führt zu einer Verminderung des Drucks des darüber in den Ansaugtrakt rückgeführten Abgases.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine weniger aufwendige und einen geringeren Druckverlust bewirkende Anbindung für das zum Verdichter des Abgasturboladers rückgeführten Abgases ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dementsprechend ist eine Brennkraftmaschine mit einem einen Verdichter und eine abgasbetriebene Turbine umfassenden Abgasturbolader im Ansaugtrakt vorgesehen, wobei dem Verdichter ein Ladeluftkühler nachgeschaltet ist, vom Abgastrakt eine erste Abgasrückführleitung an der Turbine und eine zweite ventilgesteuerte Abgasrückführleitung im Ansaugtrakt am Verdichter mündet, und wobei die zweite Abgasrückführleitung eine Abzweigung, die bei einem Betriebszustand mit mittlerer Last über ein Umschaltventil in der zweiten Abgasrückführleitung mit der Hochdruckseite des Verdichters vor dem Ladeluftkühler verbunden ist, aufweist. Hierdurch ergibt sich eine wenig aufwendige und einen geringeren Druckverlust bewirkende Anbindung für das zum Verdichter des Abgasturboladers rückgeführten Abgases.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen schematisiert dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader.
  • 2 zeigt ein Druck/Drehzahl-Diagramm.
  • 3 zeigt schematisch eine Reglereinheit für die Brennkraftmaschine.
  • 4 zeigt schematisch ein Verdichterkennfeld
  • Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine umfaßt einen Motor 1, einen Diesel- oder Ottomotor, mit einem im Ansaugtrakt hiervon vorgesehenen Abgasturbolader 2, wobei letzterer eine Turbine 3 umfaßt, die von einem Abgasmassenstrom des Motors 1 angetrieben wird, der über eine Abgasrückführleitung 4 der Turbine 3 zugeführt wird. Die Turbine 3 des Abgasturboladers 2 ist über eine in einem (nicht dargestellten) Turboladergehäuse gelagerte Welle 5 mit einem Verdichter 6 verbunden, dem Ladeluft über einen eine (nicht dargestellte) gegebenenfalls verstellbare Dralldüse umfassenden Verdichtereinlaßkanal 7 zuführbar ist, wobei die Ladeluft nach Verdichtung über einen Verdichterauslaßkanal 8 mit einem Ladeluftkühler 9 nach dessen Verlassen den Zylindern des Motors 1 unter Ladedruck zugeführt wird.
  • Ferner ist vorgesehen, daß vor der Turbine 3 Abgas über eine zweite Abgasrückführleitung 10 entnommen und über einen Abgaskühler 11 geführt wird, von wo der über die zweite Abgasrückführleitung 10 abgezweigte Abgasmassenstrom durch ein Umschaltventil 12 gesteuert entweder in den Verdichtereinlaßkanal 7, d.h. zur Niederdruckseite des Verdichters 6, oder in den Verdichterauslaßkanal 8, und zwar direkt nach dem Verdichteraustritt und vor dem Ladeluftkühler 9, eingeleitet wird. Die Menge des durch die Abgasrückführleitung rückgeführten Abgasmassenstroms wird dabei durch ein dem Abgaskühler 11 vor- oder nachgeschaltetes Steuerventil 13 gesteuert.
  • Zusätzlich kann vorteilhafterweise eine mit einem steuerbaren Ventil 14 versehene Überführungsleitung 15 vorgesehen sein, die einen Abgasmassenstrom vor dem Abgaskühler 11 ab- und in den Ansaugtrakt nach dem Ladeluftkühler 9 einleitet, wobei an der Einleitstelle ein Mischer zum Mischen von Ladeluft und rückgeführtem Abgas vorgesehen sein kann. Hierdurch kann bei kaltem Motor 1 Abgas unter Umgehung des Abgaskühlers 11 und des Ladeluftkühlers 9 rückgeführt werden, um so die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen abzusenken.
  • Die Ventile 12, 13, 14 sind über eine Reglereinheit 16 in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine steuerbar.
  • Gegebenenfalls kann dem Steuerventil 13 ein Partikelfilter 17 vorgeschaltet sein. Der Partikelfilter 17 sollte dabei zweckmäßigerweise möglichst nahe am Abgaskrümmer plaziert sein, so daß auch bei höheren Lastpunkten mit Abgasrückführung eine Teilregeneration möglich ist. Dabei sollte zusätzlich auch der Druckverlust über dem Partikelfilter 17 nicht zu groß sein, um daraus resultierende Emissions- und Kraftstoffverbrauchsnachteile minimal zu halten. Bei dem Partikelfilter 17 kann es sich um einen katalytisch beschichteten Partikelfilter handeln, um eine Versottung und Schäden am Verdichterrad zu vermeiden.
  • Die Regeneration des Partikelfilters 17 sollte nach einem festgelegten Fahr- oder Zeitzyklus erfolgen, und zwar zweckmäßigerweise immer dann, wenn der Hauptpartikelfilter für das Abgas mit regeneriert wird. Dazu ist die Regeneration mit etwas Abgasrückführung vorzunehmen, wenn der Restsauerstoffgehalt im Abgas dies zuläßt. Die Regeneration sollte ferner dann vorgenommen werden, wenn die Ansteuerung des Steuerventils 13 in definierten Lastpunkten und Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck) einen Schwellwert überschreitet. Da die Ansteuerung des Steuerventils 13 eine Funktion des Druckverlustes der Abgasrückführungsstrecke ist, wird keine Differenzdrucküberwachung des Partikelfilters 17 notwendig.
  • 2 zeigt ein Diagramm, in dem auf der Ordinate der effektive Mitteldruck pme des Motors gegenüber der Drehzahl U auf der Abszisse im Bereich vom Leerlauf bis zur Maximaldrehzahl aufgetragen ist. Bei entsprechend niedriger Last vor dem Verdichter 6 und bis zu mittleren Drehzahlen unterhalb der Kurve A wird der über die zweite Abgasrückführleitung 10 abgezweigte Abgasmassenstrom in den Verdichtereinlaßkanal 7 eingeleitet (Niederdruck-Abgasrückführungsschleife). In höheren Teillastbereichen, d.h. oberhalb der Kurve A bis zur Kurve B, die den Bereich der Abgasrückführung begrenzt (Hochdruckabgasrückführungsschleife), wird dagegen der über die zweite Abgasrückführleitung 10 abgezweigte Abgasmassenstrom in den Verdichterauslaßkanal 8 eingeleitet. Die Kurve C, die den Vollastfall darstellt, begrenzt mit der Kurve B den Bereich ohne Abgasrückführung.
  • Wenn der über die zweite Abgasrückführleitung 10 abgezweigte Abgasmassenstrom in den Verdichtereinlaßkanal 7 eingeleitet wird, wird auch bei niedrigen Lastpunkten die Drehzahl des Abgasturboladers 2 hoch gehalten, so daß sich ein entsprechend schnelles Ansprechverhalten ergibt.
  • In diesem Fall, wie auch dann, wenn der über die zweite Abgasrückführleitung 10 abgezweigte Abgasmassenstrom in den Verdichterauslaßkanal 8 eingeleitet wird, wird eine verbesserte Kühlung erreicht, indem Abgas und Ladeluft zusammen durch den Ladeluftkühler 9 geleitet werden. Außerdem ergibt sich in beiden Fällen eine gute Durchmischung von Frischluft und zurückgeführtem Abgas infolge der entsprechend langen Mischstrecke.
  • Die schematisch in 3 dargestellte Reglereinheit 16 benötigt lediglich eine einfache Regelstrategie, da keine parallele Abgasrückführung über eine Hochdruck/Hochdruck- und eine Hochdruck/Niederdruckstrecke (gemäß dem Bereich unterhalb der Kurve A von 2 bzw. zwischen den Kurven A, B von 2) vorgesehen ist, so daß die Reglerstruktur sowie die Kalibrierung der Regelparameter entsprechend einfach gestaltet werden kann. Entsprechend der gemessenen Motordrehzahl wird aus in Einheiten 18a, 18b gespeicherten hystereseartigen Luftmenge/Druck-Kennlinienfeldern für die Hochdruck/Niederdruck- bzw. Hochdruck/Hochdruckstrecke die obere und die untere Hysteresepunktmenge, d.h. die Punkte des Kennlinienfeldes bei der gemessenen Drehzahl auf dem oberen bzw. dem unteren Hystereseast, bestimmt und einer Einheit 19 zugeführt. Die Einheit 19 bestimmt anhand der gemessenen Luftmenge des Luftmassenstroms/Zeiteinheit, ob der Betrieb auf dem oberen oder unteren Hystereseast stattfindet und gibt ein dementsprechendes Signal an ein Reglerelement 20. Letzteres ist zweckmäßigerweise ein PID-Reglerelement und wird durch dieses Signal auf eine von zwischen zwei unterschiedlichen Regelungen entsprechend der Hochdruck/Niederdruck- bzw. Hochdruck/Hochdruck-Strecke geschaltet. Das Reglerelement 20 empfängt eingangsseitig ferner die Regelparameter und die Vorsteuerwerte, etwa Ist- und Sollwerte für Drehzahl und rückgeführte Abgasmenge, die für die Hochdruck/Niederdruck- bzw. Hochdruck/Hochdruckstrecke unterschiedlich sind. Gegebenenfalls kann sich an den auf die Vorsteuerwerte einwirkenden Ausgang des Reglerelements 20 noch eine Einheit 21 anschließen, die eine in Form einer Rampe zeitlich definierte und damit keine plötzliche Verstellung der Vorsteuerwerte über die Regelventile bewirkt.
  • Das Umschaltventil 12 läßt sich ferner dazu verwenden, dynamische Pumpschläge, die zu mehreren aufeinanderfolgenden "Blubber"-Geräuschen, anschaulich als "Turkey's Race" bezeichnet, führen, zu vermeiden. Dies wird im Zusammenhang mit 4 näher erläutert, die ein Kennlinienfeld eines Abgasturboladers 2 zeigt, wobei auf der Ordinate das Gesamtdruckverhältnis auf der Ordinate gegenüber einem normierten Volumenstrom auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Kurven K beziehen sich dabei auf konstante Drehzahlen des Abgasturboladers 2, während die Kurven W Linien gleichen Wirkungsgrades darstellen.
  • Wenn bei Vollast bei niedriger Drehzahl und hohem Druckverhältnis entsprechend Punkt ➀ ein schnelles Auskuppeln bzw. eine Rücknahme des Gaspedals erfolgt, wandert der Betriebspunkt von Punkt ➀ zu Punkt ➁ entlang einer Kurve K. Der Luftmassenstrom bricht zusammen, aber der Druck bleibt vorerst aufgebaut, so daß es zu dynamischen Pumpschlägen kommt, die man aus Komfortgründen vermeiden möchte. Detektieren kann man den Beginn hiervon über hohe Fluktuationen im Massenstrom etwa mittels eines Heißfilmluftmassensensors.
  • Vermeiden kann man die dynamischen Pumpschläge dadurch, daß etwa über das Umschaltventil 12 der Verdichterausgang mit dem Verdichtereingang, d.h. von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite, bei durch das Umschaltventil 12 geschlossener Abgasrückführleitung 10 kurzgeschlossen wird. Hierdurch sinkt der Ladedruck direkt ab (Betriebspunkt bewegt sich von Punkt ➁ zu Punkt ➂ ) und der Verdichter 6 pumpt nicht mehr. Die Schaltung dieses kurzzeitigen Betriebszustands ist in 4 zusätzlich skizziert. – Hierzu muß das Umschaltventil 12 entsprechend ausgestaltet sein, beispielsweise als 3/2- oder 3/3-Wegeventil, oder stattdessen kann man zwei 2/2-Wegeventile verwenden.
  • Dabei kann man zwei Möglichkeiten vorsehen:
    Wenn starke Luftmassenoszillationen gemessen werden, ist das Umschaltventil 12 entsprechend zu betätigen, oder
    es wird prinzipiell bei schneller Laständerung in einem definierten Lastbereich das Umschaltventil 12 kurzeitig zum Kurzschließen von Hoch- und Niederdruckseite des Verdichters 6 geöffnet und geschlossen, so daß sich prinzipiell Pumpschläge vermeiden lassen.
  • Dementsprechend eröffnet die Erfindung letztlich drei Betriebsmöglichkeiten, nämlich in höheren Teillastbereichen eine Abgasrückführung in den Hochdruckbereich des Ladelufttraktes, in niedrigen Lastbereichen eine Abgasrückführung in den Niederdruckbereich des Ladelufttraktes und eine Bypassschaltung zwischen Hoch- und Niederdruckbereich des Ladelufttraktes zur Verhinderung von schadensrelevanten Zuständen etwa bei Überschreiten der Pumpgrenze des Abgasturboladers 2.

Claims (15)

  1. Brennkraftmaschine mit einem einen Verdichter (6) und eine abgasbetriebene Turbine (3) umfassenden Abgasturbolader (2) im Ansaugtrakt, wobei dem Verdichter (6) ein Ladeluftkühler (9) nachgeschaltet ist, vom Abgastrakt eine erste Abgasrückführleitung (4) an der Turbine (3) und eine zweite ventilgesteuerte Abgasrückführleitung (10) im Ansaugtrakt am Verdichter (6) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abgasrückführleitung (10) eine Abzweigung, die bei einem Betriebszustand mit mittlerer Last überein Umschaltventil (12) in der zweiten Abgasrückführleitung (10) mit der Hochdruckseite des Verdichters (6) verbunden ist, aufweist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abgasrückführleitung (10) über einen Abgaskühler (11) geführt ist, dem das Umschaltventil (12) nachgeschaltet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der zweiten Abgasrückführleitung (10) eine ventilgesteuerte Überführungsleitung (15) nach dem Ladeluftkühler (9) in den Ansaugtrakt mündet.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführungsleitung (15) vor dem Abgaskühler (11) abzweigt.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abgasrückführleitung (10) über ein Partikelfilter (17) führt.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (17) vor Ventilen (12, 13) der zweiten Abgasrückführleitung (10) angeordnet ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelfilter (17) nahe am Abgaskrümmer angeordnet ist.
  8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung von der zweiten Abgasrückführleitung (10) vor dem Ladeluftkühler (9) in den Ansaugtrakt mündet.
  9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckseite des Verdichters (6) mit seiner Niederdruckseite kurzschließbar ist.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckseite des Verdichters (6) über das Umschaltventil (12) bei gleichzeitigem Absperren der zweiten Abgasrückführleitung (10) mit seiner Niederdruckseite kurzschließbar ist.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftmassensensor vorgesehen ist, dessen Signal bei Überschreiten eines Schwellwerts das Kurzschließen kurzzeitig auslöst.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei schneller Laständerung in einem vorbestimmten Lastbereich das Kurzschließen kurzzeitig auslösbar ist.
  13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reglereinheit (16) für die Drehzahl des Abgasturboladers (2) und die rückgeführte Abgasmenge vorgesehen ist, der für Hochdruck/Hochdruck-Betrieb und Hochdruck/Niederdruck-Betrieb des Abgasturboladers (2) nach unterschiedlichen Regelparametern regelt und hierzwischen umschaltbar ist.
  14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten der Reglereinheit (16) entsprechend der Bestimmung von Hochdruck/Hochdruck-Betrieb bzw. Hochdruck/Niederdruck-Betrieb vornehmbar ist.
  15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung von Hochdruck/Hochdruck-Betrieb bzw. Hochdruck/Niederdruck-Betrieb durch Auswahl einer oberen und einer unteren Hysteresepunktmenge bei gemessener Drehzahl aus gespeicherten hystereseartigen Luftmenge/Druck-Kennlinienfeldern und anhand der gemessenen Luftmenge vornehmbar ist.
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