DE102006013286A1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader ein Luftführungsgehäuse (9) aufweist, welches in einem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und das Luftführungsgehäuse (9) einen Verdichter (4) sowie eine Kaltluftturbine (1) aufweist, wobei der Verdichter (4) zum Ansaugen und Verdichten von Luft und die Kaltluftturbine (1) zum Expandieren von Luft vorgesehen sind, und ein Verdichterrad (4b) des Verdichters (4) eine Abgasturboladerwelle (2) aufweist, wobei das Verdichterrad (4b) im Luftführungsgehäuse (9) rotierbar ausgeführt ist. Erfindungsgemäß ist die Kaltluftturbine (1) stromab des Verdichters (4) in dem Luftführungsgehäuse (9) zur Steigerung eines Enthalpieangebotes für die Kaltluftturbine (1) angeordnet. Die Erfindung wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau zur Steigerung der Leistung eingesetzt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Seit Anfang 2000 wird das Thema „Drehzahlstationäre Turboaufladung" verfolgt. Zwischenzeitlich sind in diesem Zusammenhang mehrere Patentanmeldungen getätigt worden, die im Folgenden zusammengestellt sind.
  • Stand der Technik
    •
  • Aufgabenstellung
  • Um das Ziel einer nahezu drehstationären Abgasturboaufladung zu erreichen, muss das Leistungsgleichgewicht am Rotor des Abgasturboladers durch die Beeinflussung der Strömungsmaschinen insoweit befriedigt werden, dass die Drehzahlschwankungen auf hohem Drehzahlniveau innerhalb einer gewünschten Bandbreite ablaufen können. In dem für die Heißgasturbine des Abgasturboladers exergiearmen, unaufgeladenen Saugmotorenkennfeld der Brennkraftmaschine muss ein merklicher Anteil der Turbinenleistung von der „Kaltluftturbine" auf der Luftseite und gegebenenfalls einem zusätzlichen Hilfsantrieb erbracht werden, damit die Lagerverlustleistung bei dem angestrebten hohen Abgasturbolader-Drehzahlniveau kompensiert werden kann.
  • Das Leistungsgleichgewicht im unaufgeladenen Motorbetriebsbereich lautet: PKaltluftturbine + PHeißgasturbine (ggf. + PHilfsaggregat) = PLagerverlustleistung
  • Ein grundsätzliches Problem besteht darin, im niedrigen Lastbereich mit dem vorhandenen Verdichterrad den Kaltluftturbinenbetrieb strömungskinematisch entsprechend der Eulerschen Maschinengleichung in der Weise hinsichtlich der Leistungsumsetzung durchführen zu können, dass die gewünschten hohen Abgasturboladerdrehzahlen zustande kommen.
  • Lösung
  • Die vorliegende Erfindung besteht darin, in einer Kaltluftturbine, die einem Verdichter des Abgasturboladers nachgeschaltet ist, Leistung zu erzeugen und mit dieser die Abgas turboladerdrehzahl auch bei geringen Motorlasten möglichst hoch zu halten. Dieses Nachschalten der Kaltluftturbine unterscheidet sich im Wesentlichen vom bisherigen Stand der Technik, bei dem die Kaltluftturbine dem Verdichter vorgeschaltet ist. Der Vorteil liegt darin, dass der beim Verdichter aufgebaute Druck das für die Kaltluftturbine zur Verfügung stehende Gefälle erhöht. Ebenso führt die am Verdichterausgang erhöhte Temperatur zu einer Steigerung der Kaltluftturbinenleistung. Der Verdichter nimmt auch bei dieser Anordnung eine mit steigender Laderdrehzahl zunehmende Leistung auf, die jedoch durch das erhöhte Enthalpieangebot für die Kaltluftturbine zu einem großen Teil wieder kompensiert wird.
    •
  • In 1 ist eine in einem Luftführungsgehäuse 9 eines Abgasturboladers angeordnete Kaltluftturbine 1 der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Die Kaltluftturbine 1 ist mit Hilfe einer Koppelungsvorrichtung 3 an eine Abgasturboladerwelle 2 des Abgasturboladers ankoppelbar, wobei die Koppelungsvorrichtung 3 in Form einer schaltbaren Kupplung ausgeführt ist. Als Alternative zur schaltbaren Kupplung ist ein Freilauf einsetzbar, der im Kaltluftturbinenbetrieb in eine Sperrposition bringbar ist und somit ein Drehmoment von der Kaltluftturbine auf die Abgasturboladerwelle 2 überträgt.
  • Der Verdichter 4 ist gegenüber dem heutigen Stand der Technik unverändert. Da er nicht in einem Unterdruck-Betrieb betrieben wird, sind auch keine zusätzlichen Abdichtungsmaßnahmen bezüglich Ölleckage an einem Lagergehäuse des Abgasturboladers nötig.
  • Bei niedriger Motorlast wird die Strömung von einem Verdichteraustritt 4a über ein Leitgitter 5 einem Kaltluftturbinen rad 1a der Kaltluftturbine 1 zugeführt. Ein effektiver Strömungsquerschnitt 10 am Leitgitter 5 ist über eine axial verschiebbare Matrize 6 einstellbar. Ein Schieber 7 liegt in diesem Betriebszustand an der dem Leitgitter 5 abgewandten Stirnseite 6a der Matrize 6 an und wird durch eine Dichtvorrichtung 8 in Form eines O-Ringes zu dieser abgedichtet. Die Lastregelung der Brennkraftmaschine erfolgt über die axial verschiebbare Matrize 6 durch Einstellen des entsprechenden effektiven Strömungsquerschnitts 10.
  • In 2 ist die Kaltluftturbine 1 gemäß 1 in einem Betriebszustand „Hohe Motorlast", d. h. Aufladebetrieb, der Brennkraftmaschine dargestellt. Die Kaltluftturbine 1 wird mit Hilfe der Koppelungsvorrichtung 3 von der Abgasturboladerwelle 2 getrennt, wobei der Schieber 7 von der Stirnseite 6a der Matrize 6 abgehoben ist, wodurch ein Bypassieren der Strömung der Kaltluft ermöglicht ist.
  • Der effektive Querschnitt 10 ist durch die axiale Position des Schiebers 7 bestimmt. Mit Hilfe des Schiebers 7 ist die gewünschte Motorlast einstellbar.
  • Die Anordnung der Kaltluftturbine 1 stromab des Verdichters 4 dient, aufgrund der Druck- und Temperaturerhöhung der vom Verdichter angesaugten und verdichteten Luft, zur Erhöhung eines Enthalpieangebotes für die Kaltluftturbine 1.
  • Das von der Kaltluftturbine 1 erzeugte Drehmoment und somit die Leistung wird über die Koppelungsvorrichtung 3 auf die Abgasturboladerwelle 2 übertragen, so dass die Abgasturboladerdrehzahl auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine auf hohem Niveau gehalten werden kann.
    • 1
    Kaltluftturbine
    1a
    Kaltluftturbinenrad
    2
    Abgasturboladerwelle
    3
    Koppelungsvorrichtung
    4
    Verdichter
    4a
    Verdichteraustritt
    4b
    Verdichterrad
    5
    Leitgitter
    6
    Matrize
    6a
    Stirnseite
    7
    Schieber
    8
    Dichtvorrichtung
    9
    Luftführungsgehäuse
    10
    Effektiver Querschnitt

Claims (5)

  1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader ein Luftführungsgehäuse (9) aufweist, welches in einem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und das Luftführungsgehäuse (9) einen Verdichter (4) sowie ein Kaltluftturbine (1) aufweist, wobei der Verdichter (4) zum Ansaugen und Verdichten von Luft und die Kaltluftturbine (1) zum Expandieren von Luft vorgesehen sind, und ein Verdichterrad (4b) des Verdichters (4) eine Abgasturboladerwelle (2) aufweist, wobei das Verdichterrad (4b) im Luftführungsgehäuse (9) rotierbar ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltluftturbine (1) stromab des Verdichters (4) in dem Luftführungsgehäuse (9) zur Steigerung eines Enthalpieangebotes für die Kaltluftturbine (1) angeordnet ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltluftturbine (1) eine Koppelungsvorrichtung (3) aufweist, mit Hilfe derer die Kaltluftturbine (1) an die Abgasturboladerwelle (2) koppelbar ist.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelungsvorrichtung (3) in Form einer schaltbaren Kupplung ausgeführt ist.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelungsvorrichtung (3) in Form eines Freilaufs ausgeführt ist.
  5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufladebetrieb der Brennkraftmaschine die Kaltluftturbine (1) von der Abgasturboladerwelle (2) abkoppelbar ist, wobei eine Strömung der vom Verdichterrad (4b) angesaugten Luft an einem Kaltluftturbinenrad (6a) der Kaltluftturbine (1) vorbei leitbar ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009029881A1 (de) * 2009-06-22 2010-12-30 Continental Automotive Gmbh Radialverdichter für einen Turbolader, Turbolader und Verfahren zum Betreiben eines Turboladers

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009029881A1 (de) * 2009-06-22 2010-12-30 Continental Automotive Gmbh Radialverdichter für einen Turbolader, Turbolader und Verfahren zum Betreiben eines Turboladers

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