DE102006054044A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und variabler Turbinengeometrie sowie Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents

Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und variabler Turbinengeometrie sowie Verfahren zum Betreiben derselben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, mit einer Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft, einer Abgasanlage (22) zum Abführen von Abgas, einem Abgasturbolader (10), welcher eine in der Abgasanlage (22) angeordnete Turbine (26) mit variabler Turbinengeometrie (VTG) sowie einen in der Frischluftanlage (12) angeordneten Verdichter (16), ein in der Frischluftanlage (12) stromab des Verdichters (16) angeordnetes Saugrohr (20) und eine in der Frischluftanlage (12) zwischen dem Verdichter (16) und dem Saugrohr (20) angeordnete Drosseklappe (18) aufweist, wobei ein erster Aktuator (28) mit einem ersten Stellmechanismus (30) zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie vorgesehen ist. Hierbei weist der erste Aktuator (28) eine erste Membran (32) auf, welche auf den ersten Stellmechanismus (30) wirkt und zwei Druckkammern (34, 36) voneinander abtrennt, wobei eine erste Druckkammer (34) über eine erste Leitung (40) und ein erstes Ventil (38) stromab des Verdichters (16) mit der Frischluftanlage (12) und eine zweite Druckkammer (36) über eine zweite Leitung (42) und ein zweites Ventil (44) stromab der Drosselklappe (18) mit der Frischluftanlage (12) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, mit einer Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft, einer Abgasanlage zum Abführen von Abgas, einem Abgasturbolader, welcher eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine mit variabler Turbinengeometrie sowie einen in der Frischluftanlage angeordneten Verdichter, ein in der Frischluftanlage stromab des Verdichters angeordnetes Saugrohr und eine in der Frischluftanlage zwischen dem Verdichter und dem Saugrohr angeordnete Drosselklappe aufweist, wobei ein erster Aktuator mit einem ersten Stellmechanismus zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, wobei eine in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine eines Abgasturboladers von einem Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben wird und Frischluft von einem mit der Turbine verbundenen, in einer Frischluftanlage der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter des Abgasturboladers komprimiert wird, wobei zum Einstellen einer Leistung des Abgasturboladers eine Turbinengeometrie der Turbine von einem ersten Aktuator verändert wird, wobei stromab des Verdichters ein Frischluftstrom in der Frischluftanlage wahlweise von einer Drosselklappe gedrosselt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
  • Der Einsatz von Abgasturboladern (ATL) mit VTG (variabler Turbinengeometrie) verspricht auch bei Ottomotoren ein großes Potential. Bei der Auslegung eines derartigen VTG-Turboladers gibt es zwei Möglichkeiten, die Auslegung des Laders für den Motor zu optimieren. Zum einen kann der Nennlastbereich in der Auslegung optimiert werden und zum anderen kann der Fokus auf ein besonders gutes LowEnd-Torque und Instationärverhalten gelegt werden. Im ersteren Fall wird man eine verhältnismäßig große Turbine auslegen, was zu einem Turbolader führt, der nur über die verstellbare Turbinengeometrie (VTG) geregelt wird. Solche Konzepte befinden sich seit langem im Dieselbereich in Serie und seit Sommer 2006 auch im Ottobereich. Soll allerdings das untere Ende des Drehzahlbandes optimiert werden, wird der Abgasturbolader mit einer verhältnismäßig kleinen Turbine ausgelegt. Bei einer solchen Auslegung wird man versuchen, den Vorteil der Turbinenvariabilität der VTG-Turbine vollständig zur Verbesserung des LowEnd-Torque und des Instationärverhaltens zu nutzen. In einem solchen Fall kann die Turbine allerdings nicht den gesamten im Nennpunkt anfallenden Abgasmassenstrom aufnehmen, weshalb ein zusätzliches Wastegate benötigt wird. Solche Konzepte sind bisher nicht zur Anwendung gekommen.
  • Wird ein ATL mit verhältnismäßig kleiner Turbine eingesetzt, gibt es im Betriebskennfeld des Motors mehrere Punkte, die nicht eindeutig eingestellt werden können. Dabei ist im Betrieb diejenige Kombination aus VTG- und Wastegate-Ansteuerung auszuwählen, die für jeden Betriebspunkt den bestmöglichen Wirkungsgrad am ATL sicherstellt. Der ATL-Wirkungsgrad eines VTG-ATL hängt nämlich von der Stellung des Leitschaufelkranzes ab.
  • Aus der EP 1 491 854 A1 ist eine Steuerdose zum Betätigen eines Bypassventils eines Turboladers bekannt. Diese Steuerdose umfasst eine Druckfeder und zwei durch eine Membran getrennte Druckräume. Beide Druckräume sind entweder auf atmosphärischen Druck oder auf Unterdruck einstellbar.
  • Aus der EP 0 831 210 B1 ist eine Bidruckdose mit zwei getrennten Druckkammern bekannt, die als Aktuator mit einem Bypassventil für eine Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist. Die Betätigung des Bypassventils erfolgt in Abhängigkeit von einer Differenz der Drücke in den beiden Druckkammern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung einer variablen Turbinengeometrie für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine zu optimieren und gleichzeitig die Aktuatoren sowie die Regelung der Einstellung der variablen Turbinengeometrie zu vereinfachen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Aktuator eine erste Membran aufweist, welche auf den ersten Stellmechanismus wirkt und zwei Druckkammern voneinander abtrennt, wobei eine erste Druckkammer über eine erste Leitung und ein erstes Ventil stromab des Verdichters mit der Frischluftanlage und eine zweite Druckkammer über eine zweite Leitung und ein zweites Ventil stromab der Drosselklappe mit der Frischluftanlage verbunden ist.
  • Dies hat den Vorteil, dass zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie ein doppelt wirkender erster Aktuator zur Verfügung steht, welcher mittels Überdruck, welcher höher als ein Umgebungsdruck ist, in der ersten Druckkammer und Unterdruck, welcher niedriger als der Umgebungsdruck ist, in der zweiten Druckkammer an jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einen wirkungsgradoptimalen ATL-Betrieb sicher stellt, wobei dies ohne großen Zusatzaufwand erzielt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Ventil als Taktventil und/oder das zweite Ventil als schaltbares Sperrventil ausgebildet.
  • Zweckmäßigerweise ist die erste Druckkammer zusätzlich über das erste Ventil und eine dritte Leitung stromauf des Verdichters mit der Frischluftanlage verbunden.
  • Zum Einstellen einer Grundposition für den ersten Stellmechanismus weist der erste Aktuator eine erste Feder auf, welche die erste Membran mit einer Vorspannkraft beaufschlagt.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in der Abgasanlage zusätzlich ein Wastegate vorgesehen, welches einen Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbei leitet, wobei ein zweiter Aktuator mit einem zweiten Stellmechanismus zum Verstellen des Wastegates vorgesehen ist.
  • Der zweite Aktuator weist bevorzugt eine zweite Membran auf, welche auf den zweiten Stellmechanismus wirkt und zwei Druckkammern voneinander trennt, wobei eine erste Druckkammer des zweiten Aktuators über die erste Leitung und das erste Ventil stromab des Verdichters mit der Frischluftanlage und optional zusätzlich über das erste Ventil und die dritte Leitung stromauf des Verdichters mit der Frischluftanlage verbunden ist.
  • Zum Einstellen einer Grundposition für den zweiten Stellmechanismus weist der zweite Aktuator eine zweite Feder auf, welche die zweite Membran mit einer Vorspannkraft beaufschlagt.
  • Dadurch, dass die erste und zweite Feder derart ausgebildet sind, dass die zweite Feder die zweite Membran mit einer höheren Vorspannkraft beaufschlagt als die erste Feder die erste Membran, können mit dem gleichen Ansteuersignal für die jeweiligen ersten Druckkammern des ersten und zweiten Aktuators beide Aktuatoren gleichzeitig angesteuert werden, so dass für die Ladedruckregelung ein herkömmliches Taktventil ausreichend ist.
  • Ferner ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Aktuator mit einem stromab des Verdichters aus der Frischluftanlage entnommenen Überdruck, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck, und/oder von einem stromab der Drosselklappe aus der Frischluftanlage entnommenen Unterdruck, welcher niedriger ist als der Umgebungsdruck, angetrieben wird.
  • Dies hat den Vorteil, dass an jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine ein wirkungsgradoptimaler ATL-Betrieb sicher gestellt ist, wobei dies ohne großen Zusatzaufwand erzielt wird.
  • Für eine weitere Regelung der Leistung des Abgasturboladers wird ein Teil eines Abgasstromes in der Abgasanlage von einem Wastegate an der Turbine vorbei geleitet, wobei ein zweiter Aktuator das Wastegate öffnet und schließt, wobei der zweite Aktuator von einem stromab des Verdichters aus der Frischluftanlage entnommenen Überdruck, welcher höher ist als der Umgebungsdruck, angetrieben wird.
  • Zweckmäßigerweise wird dem ersten Aktuator zusätzlich der von der Frischluftleitung stromauf des Verdichters entnommenen Umgebungsdruck wahlweise zugeführt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
  • 2 ein schematisches Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und
  • 3 eine graphische Darstellung eines Aktuatorhubes über einen Ansteuerdruck.
  • Die in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock 11, einen Abgasturbolader (ATL) 10 und eine Frischluftanlage 12, in der in Strömungsrichtung gesehen folgendes angeordnet ist, ein Luftfilter 14, ein Verdichter 16 des ATL 10, eine Drosselklappe 18 und ein Saugrohr 20. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Abgasanlage 22, in der in Strömungsrichtung gesehen folgendes angeordnet ist, eine Turbine 26 des ATL 10 und ein Katalysator 24.
  • Die Turbine 26 des ATL 10 ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet. Diese wird von einem ersten Aktuator 28 verstellt, welcher einen Stellmechanismus 30 aufweist, der direkt die variable Turbinengeometrie mechanisch verstellt. Der erste Aktuator 28 umfasst eine erste Membran 32, die auf den ersten Stellmechanismus 30 wirkt und die eine erste Druckkammer 34 von einer zweiten Druckkammer 36 trennt. Die erste Druckkammer 34 des ersten Aktuators 28 ist über ein erstes Ventil 38, welches in der dargestellten, beispielhaften Ausführungsform als Taktventil ausgebildet ist, und eine erste Leitung 40 stromab des Verdichters 16 des ATL 10 mit der Frischluftanlage 12 verbunden, so dass über die erste Leitung 40 und das Taktventil 38 ein Überdruck in die erste Druckkammer 34 eingeleitet werden kann, d.h. ein Druck, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck.
  • Die zweite Druckkammer 36 des ersten Aktuators 28 ist über eine zweite Leitung 42 und ein zweites Ventil 44, welches in der dargestellten Ausführungsform als schaltbares Sperrventil ausgebildet ist, stromab der Drosselklappe 18 mit der Frischluftanlage 12 verbunden, so dass über die zweite Leitung 42 und das schaltbare Sperrventil 44 wahlweise ein sich bei Drosselung (d.h. bei wenigstens teilweise geschlossener Drosselklappe) ergebender Unterdruck, d.h. ein Druck welcher niedriger ist als der Umgebungsdruck, in die zweite Druckkammer 36 eingeleitet werden kann.
  • Die erste Druckkammer 34 des ersten Aktuators 28 ist weiterhin über das Taktventil 38 und eine dritte Leitung 46 stromauf des Verdichters 16 des ATL 10 mit der Frischluftanlage 12 verbunden, so dass über die dritte Leitung 46 und das Taktventil 38 der Umgebungsdruck in die erste Druckkammer 34 eingeleitet werden kann.
  • Somit führt eine Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckkammer 34, 36 des ersten Aktuators 28 zu einer Auslenkung der ersten Membran 32, wobei diese Auslenkung in eine translatorische Bewegung des ersten Stellmechanismus 30 und somit in eine Verstellung der variablen Turbinengeometrie umgesetzt wird. Der erste Aktuator 28 ist als doppelt wirkender Pneumatikaktuator ausgebildet.
  • In dem ersten Aktuator 28 ist eine erste Feder 58 angeordnet, welche die erste Membran 32 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Diese erste Feder 58 des ersten Aktuators 28 bestimmt eine Grund- oder Ruheposition des ersten Stellmechanismus 30, wenn in erster und zweiter Druckkammer 34, 36 des ersten Aktuators 28 ein identischer Druck, beispielsweise Umgebungsdruck, herrscht. Die erste Feder 58 des ersten Aktuators 28 ist derart angeordnet, dass der in die erste Druckkammer 34 des ersten Aktuators 48 eingeleitete Überdruck die erste Membran 32 des ersten Aktuators 28 gegen die Vorspannkraft der ersten Feder 58 des ersten Aktuators 28 auslenkt und somit gegen die Vorspannkraft der ersten Feder 58 des ersten Aktuators 28 die variable Turbinengeometrie in Richtung geringerer Leistung des ATL 10 verstellt, d.h. öffnet. Die erste Feder 58 positioniert den Leitschaufelkranz der VTG in einer zuvor definierten Ruheposition, welche zweckmäßigerweise diejenige Stellung der Leitschaufeln mit maximalem Verschlussgrad ist. Bei maximalem Verschlussgrad des Leitschaufelkranzes wird das bestmögliche Ansprechverhalten des VTG erzielt. Jede andere Wahl der Ruheposition, beispielsweise unter anderen Prioritäten der VTG-Auslegung, ist ebenfalls möglich.
  • Bei der in 2 dargestellten, zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brerinkraftmaschine sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Zusätzlich ist bei der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß 2 ein zweiter Aktuator 48 mit einem zweiten Stellmechanismus 50 vorgesehen, welcher ein Wastegate (nicht dargestellt) mechanisch öffnet bzw. schließt, so dass über das Wastegate wahlweise ein Teil eines Abgasmassenstromes in der Abgasanlage 22 an der Turbine vorbei geleitet wird. Dadurch kann weiterhin eine Leistung des ATL 10 eingestellt werden, auch wenn sich die variable Turbinengeometrie an einem entsprechenden Anschlag befindet und nicht weiter regeln kann.
  • Der zweite Aktuator 48 umfasst eine zweite Membran 52, die auf den zweiten Stellmechanismus 50 wirkt und die eine erste Druckkammer 54 von einer zweiten Druckkammer 56 abtrennt. Die erste Druckkammer 54 des zweiten Aktuators 48 ist über das Taktventil 38 und die erste Leitung 40 stromab des Verdichters 16 des ATL 10 mit der Frischluftanlage 12 verbunden. Weiterhin ist die erste Druckkammer 54 des zweiten Aktuators 48 über das Taktventil 38 und die dritte Leitung 46 stromauf des Verdichters 16 des ATL 10 mit der Frischluftanlage 12 verbunden. Hierdurch wird wahlweise Überdruck, d.h. ein Druck höher als der Umgebungsdruck, über die erste Leitung 40 oder Umgebungsdruck über die dritte Leitung 46 der ersten Druckkammer 54 des zweiten Aktuators 48 zugeführt und eine Auslenkung der zweiten Membran 52 beeinflusst.
  • Eine Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Druckkammer 54, 56 des zweiten Aktuators 48 führt zu einer Auslenkung der zweiten Membran 52, wobei diese Auslenkung in eine translatorische Bewegung des zweiten Stellmechanismus 50 und somit in eine Verstellung der Öffnung des Wastegates umgesetzt wird.
  • In dem zweiten Aktuator 48 ist eine zweite Feder 60 angeordnet, welche die zweite Membran 52 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Diese zweite Feder 60 des zweiten Aktuators 48 bestimmt eine Grund- oder Ruheposition des zweiten Stellmechanismus 50, wenn in erster und zweiter Druckkammer 54, 56 des zweiten Aktuators 48 ein identischer Druck, beispielsweise Umgebungsdruck, herrscht. Die zweite Feder 60 des zweiten Aktuators 48 ist derart angeordnet, dass der in die erste Druckkammer 54 des zweiten Aktuators 48 eingeleitete Überdruck die zweite Membran 52 des zweiten Aktuators 48 gegen den Druck der zweiten Feder 60 des zweiten Aktuators 48 auslenkt und somit gegen den Druck der zweiten Feder 60 des zweiten Aktuators 48 das Wastegate öffnet.
  • Insgesamt ist somit vorgesehen, dass die ersten Druckkammern 34 und 54 der beiden Aktuatoren 28 und 48 mit demselben über das Taktventil 38 in die ersten Druckkammern 34 und 54 eingeleiteten Ansteuerdruck beaufschlagt werden. Unterschiedliche Auslenkungen der beiden Membranen 32 und 52 mit entsprechend unterschiedlicher Auslenkung der beiden Stellmechanismen 30 und 50 ergeben sich dann durch unterschiedliche Auslegung der beiden Federn 58 und 60 relativ zueinander. So führt beispielsweise eine Auslegung der beiden Federn 58 und 60 derart, dass die zweite Feder 60 des zweiten Aktuators 48 härter ist als die erste Feder 58 des ersten Aktuators 28 dazu, dass mit zunehmendem über das Taktventil 38 übertragenem Ansteuerdruck zuerst nur die variable Turbinengeometrie verändert wird und das Wastegate geschlossen bleibt, solange der Ansteuerdruck niedriger ist als eine Vorspannkraft der zweiten Feder 60. Erst ab einer bestimmen Höhe des über das Taktventil 38 in die ersten Druckkammern 34 und 54 eingeleiteten Ansteuerdruckes wird auch das Wastegate gegen die Kraft der zweiten Feder 60 zunehmend geöffnet.
  • Mit Hilfe der oben beschriebenen Ansteuerung des ersten Aktuators 28 für die variable Turbinengeometrie und des zweiten Aktuators 48 für das Wastegate ergibt sich die Möglichkeit, die VTG über sehr weite Kennfeldbereiche in ihrem Wirkungsgradoptimum zu betreiben. Dies kann einerseits über eine entsprechende Applikation von zwei unabhängig voneinander agierenden Aktuatoren geschehen oder durch die zuvor dargestellte Koppelung der beiden Aktuatoren 28 und 48.
  • Erfindungsgemäß ist für die Verstellung des VTG-Leitschaufelapparates der doppelt wirkende Pneumatikaktuator 28 vorgesehen. Für die Verstellung des Wastegates ist eine an sich bekannte Überdruckdose oder wahlweise ebenfalls ein doppelt wirkender Pneumatikaktuator vorgesehen. Ein doppelt wirkender Aktuator zeichnet sich dabei durch die Eigenschaft aus, dass er oberhalb der Membrane 32, 52, d.h. in der jeweiligen ersten Druckkammer 34, 54, analog einem einfachen Pneumatikaktuator mit Überdruck beaufschlagt wird und unterhalb der Membrane 32, 52, d.h. in der jeweiligen zweiten Druckkammer 36, 56, mit Unterdruck beaufschlagt wird. Die Aktuatoren 28, 48 sind dabei, wie zuvor dargestellt, durch Pneumatikschläuche 40, 46 miteinander verbunden.
  • Die Auslegung der beiden Aktuatoren 28, 48 erfolgt derart, dass mit dem gleichen Ansteuersignal der Hub an beiden Aktuatoren gerade so ausfällt, dass sich immer ein möglichst wirkungsgradoptimaler ATL-Betrieb einstellt. Hierbei ist eine Ladedruckregelung mit einem herkömmlichen Taktventil 38 ausreichend. Vorzugsweise wird dabei die Vorspannung des Wastegate-Aktuators 48 deutlich stärker ausgelegt, als die Vorspannung des VTG-Aktuators 28. Damit wird bewirkt, dass bei geringen Ansteuerdrücken der VTG-Aktuator 28 einen Arbeitshub machen kann, d.h. es erfolgt eine Verstellung des VTG-Leitschaufelkranzes, während aufgrund der hohen Federvorspannung der Wastegate-Aktuator 48 noch keinen Arbeitshub ausführt, d.h. das Wastegate bleibt geschlossen. Diese Konstellation ist erwünscht, wenn z.B. bei niedrigen Motordrehzahlen die gewünschte Leistung des Abgasturboladers 10 nur mit geschlossenem Wastegate erreicht werden kann. Mit höheren Ansteuerdrücken, die vom Taktventil 38 synchron auf die beiden Aktuatoren 28 und 48 gegeben werden, wird auch die hohe Vorspannung des Wastegate-Aktuators 48 überwunden und auch das Wastegate beginnt zu öffnen. In diesem Bereich der Ansteuerdrücke wird also an beiden Aktuatoren 28 und 48 ein Arbeitshub erzeugt. Die effektiv wirksame Membranfläche und die Federsteifigkeit der Federn 58, 60 der beiden Aktuatoren 28, 48 wird derart aufeinander abgestimmt, dass eine Schaufelstellung der VTG-Turbine 26 und ein Öffnungswinkel des Wastegates bei der synchronen Beaufschlagung mit dem identischen Ansteuerdruck immer einen maximal möglichen Betriebswirkungsgrad am ATL 10 ergeben. Eine solche Auslegung kann beispielsweise über entsprechende Berechnungssoftware durchgeführt werden. Damit die Turbine 26 bei hohen Ansteuerdrücken nicht in den Bereich der üblicherweise schlechten Betriebswirkungsgrade bei vollständig geöffnetem Leitschaufelkranz betrieben wird, ist der mechanische Anschlag an der VTG-Verstellmimik zweckmäßigerweise derart eingestellt, dass eine Schaufelöffnung von ca. max. 70–85% möglich ist und somit hohe Turbinenwirkungsgrade sichergestellt sind. Die Ladedruckregelung erfolgt zu noch höheren Ansteuerdrücken hin nur noch über das Wastegate.
  • Um in der motorischen Teillast zu hohe Abgasgegendrücke bei geschlossenem Wastegate und max. geschlossener VTG (beide Aktuatoren 28, 48 öffnen nur mit Überdruck, der in der Teillast nicht vorhanden ist) zu vermeiden, ist es erfindungsgemäß vorgesehen einen doppelt wirkenden Aktuator 28 als VTG-Aktuator zu verwenden. Die untere zweite Druckkammer 36 dieses ersten Aktuators 28 ist mit einer Druckentnahme nach Drosselklappe 18 verbunden. In dieser Leitung 42 sitzt ein sperrbares Ventil 44, beispielsweise ein elektrisch gesteuertes Ventil oder ein passives Rückschlagventil, welches bei Unterdruck nach Drosselklappe 18 den Durchgang zwischen Aktuator 28 und Entnahmestelle öffnet und bei Überdruck nach Drosselklappe 18 den Durchgang verschließt. Somit wird auch in der Teillast über den Unterdruckpfad 42, 44 eine Öffnung der VTG bewirkt. Dieser Unterdruckpfad 42, 44 ist passiv, d.h. je mehr Unterdruck vorhanden ist, desto weiter öffnet die VTG und je weniger Unterdruck vorhanden ist, desto weniger weit wird die VTG geöffnet. Dieses Verhalten ist auch im Sinne eines optimalen Ansprechverhaltens des ATL beim Übergang in den aufgeladenen Motorbetrieb, da die VTG mit Annäherung an die Betriebsgrenze zwischen Saug- und aufgeladenem Betrieb schon kontinuierlich geschlossen wird.
  • Beispielhaft ist in 3 ein Hub-Druck-Diagramm für die beiden Aktuatoren (VTG-Aktuator 28 = doppelt wirkend; Wastegate-Aktuator 48 = einfach) dargestellt. In 3 ist auf einer horizontalen Achse 62 ein Ansteuerdruck in [mbar] und auf der vertikalen Achse 64 ein Aktuatorhub in [%] aufgetragen. Bezugszeichen 66 bezeichnet den mechanischen Anschlag des VTG-Verstellmechanismus, Pfeil 68 zeigt in Richtung Unterdruck und Pfeil 70 zeigt in Richtung Überdruck, wobei sich Unter- und Überdruck jeweils auf den Umgebungsdruck bezieht. Ein erster Graph 72 veranschaulicht den Hub 64 des VTG-Aktuators 28 in Abhängigkeit vom Ansteuerdruck 62 und ein zweiter Graph 74 veranschaulicht den Hub 64 des Wastegate-Aktuators 48 in Abhängigkeit vom Ansteuerdruck 62. Es ist deutlich der verzögerte Hub des Wastegate-Aktuators 48 aufgrund der höheren Steifigkeit der zweiten Feder 52 zu erkennen.

Claims (13)

  1. Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, mit einer Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft, einer Abgasanlage (22) zum Abführen von Abgas, einem Abgasturbolader (10), welcher eine in der Abgasanlage (22) angeordnete Turbine (26) mit variabler Turbinengeometrie (VTG) sowie einen in der Frischluftanlage (12) angeordneten Verdichter (16), ein in der Frischluftanlage (12) stromab des Verdichters (16) angeordnetes Saugrohr (20) und eine in der Frischluftanlage (12) zwischen dem Verdichter (16) und dem Saugrohr (20) angeordnete Drosselklappe (18) aufweist, wobei ein erster Aktuator (28) mit einem ersten Stellmechanismus (30) zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator (28) eine erste Membran (32) aufweist, welche auf den ersten Stellmechanismus (30) wirkt und zwei Druckkammern (34, 36) voneinander abtrennt, wobei eine erste Druckkammer (34) über eine erste Leitung (40) und ein erstes Ventil (38) stromab des Verdichters (16) mit der Frischluftanlage (12) und eine zweite Druckkammer (36) über eine zweite Leitung (42) und ein zweites Ventil (44) stromab der Drosselklappe (18) mit der Frischluftanlage (12) verbunden ist.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (38) als Taktventil ausgebildet ist.
  3. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (44) als schaltbares Sperrventil ausgebildet ist.
  4. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Druckkammer (34) zusätzlich über das erste Ventil (38) und eine dritte Leitung (46) stromauf des Verdichters (16) mit der Frischluftanlage (12) verbunden ist.
  5. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator (28) eine erste Feder (58) aufweist, welche die erste Membran (32) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt.
  6. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (22) zusätzlich ein Wastegate vorgesehenen ist, welches einen Teil des Abgasstromes an der Turbine (26) vorbei leitet, wobei ein zweiter Aktuator (48) mit einem zweiten Stellmechanismus (50) zum Verstellen des Wastegates vorgesehen ist.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktuator (48) eine zweite Membran (52) aufweist, welche auf den zweiten Stellmechanismus (50) wirkt und zwei Druckkammern (54, 56) voneinander trennt, wobei eine erste Druckkammer (54) des zweiten Aktuators (48) über die erste Leitung (40) und das erste Ventil (38) stromab des Verdichters (16) mit der Frischluftanlage (12) verbunden ist.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Druckkammer (54) des zweiten Aktuators (48) zusätzlich über das erste Ventil (38) und die dritte Leitung (46) stromauf des Verdichters (16) mit der Frischluftanlage (12) verbunden ist.
  9. Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktuator (48) eine zweite Feder (60) aufweist, welche die zweite Membran (52) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Feder (58, 60) derart ausgebildet sind, dass die zweite Feder (60) die zweite Membran (52) mit einer höheren Vorspannkraft beaufschlagt als die erste Feder (58) die erste Membran (32).
  11. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor, welche insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei eine in einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine angeordnete Turbine eines Abgasturboladers von einem Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben wird und Frischluft von einem mit der Turbine verbundenen, in einer Frischluftanlage der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter des Abgasturboladers komprimiert wird, wobei zum Einstellen einer Leistung des Abgasturboladers eine Turbinengeometrie der Turbine von einem ersten Aktuator verändert wird, wobei stromab des Verdichters ein Frischluftstrom in der Frischluftanlage wahlweise von einer Drosselklappe gedrosselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator mit einem stromab des Verdichters aus der Frischluftanlage entnommenen Überdruck, welcher höher ist als ein Umgebungsdruck, und/oder von einem stromab der Drosselklappe aus der Frischluftanlage entnommenen Unterdruck, welcher niedriger ist als der Umgebungsdruck, angetrieben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil eines Abgasstromes in der Abgasanlage von einem Wastegate an der Turbine vorbeigeleitet wird, wobei ein zweiter Aktuator das Wastegate öffnet und schließt, wobei der zweite Aktuator von einem stromab des Verdichters aus der Frischluftanlage entnommenen Überdruck, welcher höher ist als der Umgebungsdruck, angetrieben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Aktuator zusätzlich der von der Frischluftleitung stromauf des Verdichters entnommenen Umgebungsdruck wahlweise zugeführt wird.
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