DE102006011422A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents

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Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher
Markus Dipl.-Ing. Müller
Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
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SUMSER, SIEGFRIED, DIPL.-ING., 70327 STUTTGART, DE
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einem Ansaugsystem (6) und einem Abgassystem (4), wobei zur Kompression angesaugter Ladeluft ein Verdichter (2) des Abgasturboladers im Ansaugsystem (6) und zur Expansion von Abgas der Brennkraftmaschine eine Turbine (3) des Abgasturboladers im Abgassystem (4) angeordnet sind, wobei der Verdichter (2) derart in einem Kaltluftturbinenbetrieb betreibbar ist, dass angesaugte Ladeluft im Verdichter (2) expandieren kann.
Erfindungsgemäß sind das Abgassystem (4) und das Ansaugsystem (6) mittels einer Verbindungsleitung (100) gekoppelt, so dass Abgas vom Abgassystem (4) in das Ansaugsystem (4) strömen kann, wobei eine Abzweigung der Verbindungsleitung (100) stromauf der Turbine (3) und eine Einmündung der Verbindungsleitung (100) in einem Schaufelbereich des Verdichters (4) angeordnet sind.
Die Erfindung wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Seit Anfang 2000 wird das Thema „drehzahlstationäre Turboaufladung" verfolgt.
  • Zwischenzeitlich sind in diesem Zusammenhang mehrere Patentanmeldungen getätigt worden, die im Folgenden zusammengestellt sind.
  • Problemstellung:
  • Um das Ziel einer nahezu „Abgasturbolader-drehzahlstationären Abgasturboaufladung" zu erreichen, muss das Leistungsgleichgewicht am Rotor des Abgasturboladers durch die Beeinflussung der Strömungsmaschinen insoweit befriedigt werden, dass die Drehzahlschwankungen auf dem hohen Drehzahlniveau in den gewünschten Grenzen ablaufen können. In dem exergiearmen Motorkennfeldbereich der Abgasturboladerturbine (Heißgasturbine), wie er sich im unaufgeladenen Saugmotoren-Kennfeldbereich des Motors üblicherweise zeigt, muss ein merklicher Anteil der Turbinenleistung von der Kaltluftturbine auf der Luftseite und ggf. einem zusätzlichen Hilfsantrieb (z. B. Niederleistungs-Elektromotor) erbracht werden, damit die Lagerverlustleistungen bei dem angestrebten hohen Abgasturbolader-Drehzahlniveau kompensiert werden.
  • Das Leistungsgleichgewicht im unaufgeladenen Motorbetriebsbereich lautet: PKaltluft-Turbine + PHeissgas-Turbine(ggf. + PHilfsaggregat) = PLagerverlustleistung
  • Ein grundsätzliches Problem besteht im niederen Lastbereich und den angestrebten hohen Abgasturbolader-Drehzahlen, einen größeren Leistungsbetrag von der Heißturbine 3 (siehe 1) zu bekommen. Die Heißgasturbine läuft in diesem Betriebsbereich bei hohen Abgasturbolader-Drehzahlen meist mit sehr niederen Wirkungsgraden oder sogar im vollständigen Ventilationsbereich mit einer nicht vernachlässigbaren Leistungsaufnahme.
    •
  • Lösungen:
  • Um eine deutliche Leistungserhöhung durch die Kaltluftturbine zu bekommen, wird vorgeschlagen, von der Abgasseite 4 eine Rückkopplungsleitung 100 zur Luftseite 6 in den Bereich des Verdichters 2 bzw. der Kaltluftturbine zu legen (s. 1).
  • Dieser Lösungsvorschlag ist für Diesel-, aber insbesondere für Ottomotoren zur drastischen Verbesserung des transienten Motorverhaltens sehr einfach und vorteilhaft umsetzbar.
  • Bei Ottomotoren ergeben sich im Teillastgebiet bis zum Leerlaufpunkt Druckverhältnisse von der Umgebung zum Saugrohr über 3 bis maximal 5, wodurch die angestrebte starke Erhöhung der Kaltluft-Turbinenleistung bewerkstelligbar wird und sich die hohen Abgasturbolader-Drehzahlen bei niederster Last einstellen können.
  • Zusätzlich zu dem Basisdruckverhältnis bei Festgeometrieturbinen, kann bei den Vario-Turbinen, die bei den aufgeladenen PKW-Dieselmotoren mittlerweile weit verbreitet sind, das Rückkopplungsdruckverhältnis πRück von der Abgasseite 4 hin zur Luftseite 6 durch Verschließen des Vario-Leitgitters 9 noch mal stark gesteigert werden.
  • Die erfindungsgemäße Rückkopplung der Abgasseite mit der Luftseite ermöglicht hiermit, die Pumpwirkung des Motors 1 für die Entlastung des Verdichters durch hohe Mitdrall- intensitäten der Verdichtereinströmung oder sogar zur Steigerung der Kaltluftturbinenleistung zu verwenden.
  • Bei den kleinen Abgasturboladerturbinen mit Wastegate 150 wird die Regelung des Rückkopplungsdruckverhältnisses πRück von der Wastegate-Regelung beeinflussbar (s. 2). Die weiterentwickelte Form, die Abgasturboladerturbinen mit Vario-Turbinen, stellen eine sehr sensible Vorrichtung zur Einstellung der gewünschten Rückkopplungsdruckverhältnisse πRück bzw. zur Mitregelung der Kaltluftturbinenleistung dar.
  • Befindet sich der Verdichter in seiner normalen Betriebsweise, also nicht im Bereich der Kaltluftturbinenbetriebsweise, so wird die Mitdrallintensität durch den Rückführstrom von der Abgasseite zur Luftseite hin durch die Querschnittseinstellung der heißen Vario-Turbine über die erfindungsgemäße Rückkopplung maßgebend mit beeinflusst. Bei der konkreten Zuführung des Abgases in den äußeren Eintrittsbereich des Verdichterrades in Mitdrallrichtung lässt sich auch die Pumpgrenze zu kleineren Durchsätzen hin verschieben, wodurch höhere stationäre Motormomente realisiert werden können.
  • Alle konkreten Vorrichtungen mit der Strömungsrückkopplung von der Abgasseite zur Luftseite ist Folgendes gemein:
    Das Rückkopplungsdruckverhältnis πRück wird mit einem gewissen Wirkungsgrad η in Strömungsgeschwindigkeit cu umgesetzt, entsprechend der Gleichung
    Figure 00040001
    wobei
    • cp
    der Wärmekapazität des Abgases,
    T(tot)
    der Totaltemperatur des Abgases,
    κ
    dem Isentropenexponenten des Abgases und
    π(tot,s)rück
    dem Rückkopplungsdruckverhältnis total, statisch entsprechen.
  • Die erzielte Strömungsgeschwindigkeit cu wird dann weitgehend in eine Umfangsrichtung des Verdichterrades gelenkt. Entsprechend der Eulerschen Turbinengleichung wird diese Umfangsgeschwindigkeit in eine Entlastung des Verdichters oder im Kaltluftturbinenbetrieb in eine Steigerung der Turbinenleistung der kalten Seite umgesetzt.
  • Die 3 zeigt die Zuführung der Rückführabgasmasse über die Leitung 100. Die Leitung 100 mündet in eine weitere Leitung 5, welche zu einem ringförmigen Sammelraum 106 führt. Der Sammelraum 106 weist Düsen 108 auf, welche in Umfangsrichtung ausgerichtet, über dem Verdichterrad 7 angeordnet sind. Der Rückführmassenstrom strömt mit der Geschwindigkeit cu aus der Düsenmündung 108 aus und trifft auf die Radbeschaufelung des Verdichterrades 7 auf. Um das Rückkopplungsdruckverhältnis πRück wirksam werden zu lassen, wird das Ventil 107 (s. 1) geöffnet.
  • Zu der über die weitere Leitung 5 zugeführten Abgasmasse strömt in diesem Beispiel angepasste Verbrennungsluft durch die bekannte Vorrichtung 9, 12 der Zweistrom-Maschine. Die Schaufelhöhe des Leitgitters 190 wird entsprechend dem Luftbedarf geöffnet, wobei in diesem Beispiel ein sehr niederer Last- und Motordrehzahlpunkt, hier eines Ottomotors, angedeutet wird. Die Verstellvorrichtung 9, 180, 190 übernimmt in der Zweistrom-Maschine auch die Funktion einer Drosselklappe.
  • Die 2, 4 und 5 zeigen die Hauptmerkmale einer Vorrichtung, bei der das Rückkopplungsdruckverhältnis πRück in einer Düse in Geschwindigkeit umgesetzt wird, die im Leitschaufelkranz 190 mittels Hohlschaufeln dargestellt wird (s. 5). Der engste Querschnitt 200 für die Luft ist dem engsten Querschnitt 201 für das Abgas vorgelagert. Eine Mischung von Abgas und Luft findet bei der Radeinströmung bzw. im Radkanal des Verdichters statt.
  • Die 4 zeigt die Zweistrom-Maschine mit der Zuführöffnung für den Kanal 100 und den ringförmigen Sammelraum 106. Von dem ringförmigen Sammelraum wird das Abgas in die Hohlschaufeln 190 geleitet, wo es aus dem von der beweglichen Matrize 180 nicht abgedeckten Düsenbereich 201 in den Verdichterradbereich ausströmen wird. Wie aus der 2 zu ersehen, wird bei diesem Lösungsvorschlag kein zusätzliches Ventil benötigt. Die Versperrvorrichtung für den Luft- und den Abgaskanal wird mit der axial verschiebbaren Matrize 180 simultan durchgeführt.
  • Da bei den zukünftigen Motoren nahezu alle Motoren mit Abgasrückführungssystemen für die NOx-Minderung ausgestattet werden, ist der zur Luftseite simultan eingeleitete Abgasteilstrom im Teillastgebiet nicht unerwünscht.
  • Da prinzipiell die Matrize 180 und der Versperrkolben 9 für den axialen Zulauf unabhängig verstellbar sein können, sind die erforderlichen Betriebsweisen für das transiente und stationäre Verhalten des Motors auch in den hohen Lastbereichen in den meisten Fällen gut zu befriedigen.

Claims (1)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, mit einem Ansaugsystem (6) und einem Abgassystem (4), wobei zur Kompression angesaugter Ladeluft ein Verdichter (2) des Abgasturboladers im Ansaugsystem (6) und zur Expansion von Abgas der Brennkraftmaschine eine Turbine (3) des Abgasturboladers im Abgassystem (4) angeordnet sind, wobei der Verdichter (2) derart in einem Kaltluftturbinenbetrieb betreibbar ist, dass angesaugte Ladeluft im Verdichter (2) expandieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem (4) mit dem Ansaugsystem (6) über eine Verbindungsleitung (100) verbunden ist, so dass Abgas vom Abgassystem (4) in das Ansaugsystem (6) strömen kann, wobei eine Abzweigung der Verbindungsleitung (100) stromauf der Turbine (3) und eine Einmündung der Verbindungsleitung (100) in einem Schaufelbereich des Verdichters (2) angeordnet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007025282A1 (de) * 2007-05-30 2008-12-04 Voith Patent Gmbh Abgasturbolader
DE102008049687A1 (de) 2008-09-30 2010-04-01 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine hierzu
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DE102009032079A1 (de) * 2009-07-07 2011-01-13 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

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Owner name: FLEDERSBACHER, PETER, DIPL.-ING., 70619 STUTTGART,

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