DE102007019060A1

DE102007019060A1 - Brennkraftmaschine mit kombinierter Aufladung durch Abgasturbolader und mechanischer Lader

Info

Publication number: DE102007019060A1
Application number: DE102007019060A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dipl.-Ing. Schramm
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2007-04-23
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Abgasturbolader (8) und einem zusammen mit einem Verdichter (10) des Abgasturboladers (8) in einem Ansaugtrakt (2) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten mechanischen Lader (15), sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine (1). Um eine Beeinträchtigung der Aufladung der Brennkraftmaschine (1) infolge eines Absinkens der Leistung des Abgasturboladers (8) bei hohen Drehzahlen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, den Lader (15) in Parallelschaltung zum Verdichter (10) im Ansaugtrakt (2) anzuordnen und in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) zuzuschalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen werden zunehmend häufiger aufgeladen, wobei die Aufladung in der Regel entweder mit Hilfe von Abgasturboladern oder mit Hilfe von mechanischen Ladern erfolgt. Während Abgasturbolader eine im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine umfassen, deren vom Abgas in Rotation versetztes Turbinenrad drehfest mit einer Antriebswelle eines Verdichterrades eines Radialverdichters im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden ist und dieses antreibt, bestehen die auch als "Kompressor" bezeichneten mechanischen Lader zumeist aus einem im Ansaugtrakt angeordneten Drehkolbenverdichter, Flügelzellenverdichter oder Schraubenverdichter, deren Rotor entweder von der Brennkraftmaschine über einen Umschlingungstrieb oder ein Zahnradgetriebe oder von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird.
Ein Nachteil von Abgasturboladern besteht darin, dass die von der Antriebswelle des Verdichterrades bereitgestellte Verdichterleistung drehzahlabhängig ist. Dabei ist die Leistung im mittleren Drehzahlbereich am höchsten, während es im oberen Drehzahlbereich zu einem Leistungsabfall infolge eines begrenzten Luftmassendurchsatzes und im unteren Drehzahlbereich zum Auftreten des sogenannten "Turbolochs" infolge geringer Abgasmengen kommt.
Während die Brennkraftmaschinen der meisten Kraftfahrzeuge nur mit einem Abgasturbolader oder mit einem mechanischen Lader ausgestattet sind, ist es bei sogenannten Biturbo- oder Twin-Turbo-Systemen auch bereits bekannt, an Stelle eines einzigen Abgasturboladers zwei kleinere Abgasturbolader zu verwenden, deren Turbinen jeweils von der Hälfte der Zylinder der Brennkraftmaschine mit Abgas versorgt werden und deren Verdichter parallel zueinander im Ansaugtrakt angeordnet sind. Die Verwendung von kleineren Ladern mit entsprechend geringeren Trägheitsmomenten ermöglicht es, das Ansprechverhalten beim Gasgeben zu verbessern und auf diese Weise das "Turboloch" im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu vermeiden.
Außerdem sind auch bereits sogenannte sequenzielle Biturbo-Systeme bekannt, bei denen nicht beide Turbinen ständig durch das Abgas angetrieben werden, sondern die zweite Turbine erst bei einem entsprechenden Leistungsbedarf zugeschaltet wird und dann den zweiten Verdichter antreibt. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass bei geringen Lasten das gesamte Abgas durch eine einzige Turbine hindurchgeführt wird, wodurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers verbessert wird.
Weiter sind aus der DE 199 28 523 A1 bereits eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die Brennkraftmaschine neben einem Abgasturbolader auch einen mechanischen Lader oder Kompressor umfasst, der in Serienschaltung hinter dem Verdichter des Abgasturboladers im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet ist und durch Schließen eines geöffneten Umluftventils zwischen der Saugseite und der Druckseite des Laders bei Bedarf zum Verdichter zugeschaltet werden kann. Dabei ist vorgesehen, dass eine zur Steuerung des Umluftventils dienende Steuer- oder Regeleinrichtung das Umluftventil bei Drehzahlen unterhalb von 1500 min^–1 schließt, um den Lader zum Verdichter zuzuschalten, während das Umluftventil bei Drehzahlen oberhalb von 1500 min^–1 zumeist geöffnet bleibt und nur bei einer Motordrehzahl von etwa 3000 min^–1 und mittlerer Last teilweise geschlossen wird, um einen bestimmten Ladedruck über weite Bereiche des Last-/Drehzahl-Kollektivs konstant zu halten.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Beeinträchtigung der Aufladung der Brennkraftmaschine infolge eines Absinkens der Leistung des Abgasturboladers bei hohen Drehzahlen vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 bzw. 11 gelöst. Danach wird der in Parallelschaltung zum Verdichter des Abgasturboladers im Ansaugtrakt angeordnete mechanische Lader in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zugeschaltet, um einen Leistungsabfall des Abgasturboladers auszugleichen.
Um sicherzustellen, dass der Verdichter des Abgasturboladers im unteren Drehzahlbereich keinen Ladedruck über den mechanischen Lader abbaut, ist hinter dem mechanischen Lader vorzugsweise ein Rückschlagventil oder ein Regelventil im Ansaugtrakt angeordnet, das einen Austritt von verdichteter Luft durch den mechanischen Lader verhindert. Alternativ kann der mechanische Lader auch selbst regelbar sein, um einen Aus tritt von verdichteter Luft zu verhindern, zum Beispiel indem bei einem als Schraubenverdichter mit Einlassdrehschieber ausgebildeten mechanischen Lader der Einlassdrehschieber geschlossen wird, um den Hindurchtritt von Luft durch den mechanischen Lader zu blockieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Verdichter des Abgasturboladers und der mechanische Lader für einen ähnlichen Luftmassendurchsatz ausgelegt sind, wodurch das Ansprechverhalten des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen verbessert wird und dieser im Vergleich zu einem Abgasturbolader einer allein durch einen Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine erheblich kleiner dimensioniert werden kann. Allerdings muss das Wastegate des Abgasturboladers für eine größere Abgassteuermenge ausgelegt werden als dies bei üblichen klein dimensionierten Abgasturboladern der Fall ist.
Der mechanische Lader kann entweder von einem Elektromotor angetrieben werden, der im oberen Drehzahlbereich eingeschaltet wird, oder kann mit der Brennkraftmaschine durch eine Kupplung verbunden sein, die im oberen Drehzahlbereich geschlossen wird, um den Lader zum Verdichter des Abgasturboladers zuzuschalten. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Lader ständig mitlaufen zu lassen, ihn jedoch so auszulegen, dass er erst oberhalb einer gewünschten Drehzahl einen ausreichenden Luftmassendurchsatz entgegen dem Druck hinter dem Verdichter fördert. In den beiden zuerst genannten Fällen kann der mechanische Lader auch im unteren Drehzahlbereich zum Verdichter zugeschaltet werden, um die Aufladung im Bereich des "Turbolochs" zu verbessern, während in dem zuletzt genannten Fall der Abgasturbolader im unteren Drehzahlbereich vom mechanischen Lader nur geringfügig unterstützt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem mechanischen Lader;
2 eine Darstellung des drehzahlabhängigen Verlaufs des Luftmassendurchsatzes des Verdichters des Abgasturboladers und des mechanischen Laders;
3 eine Darstellung des drehzahlabhängigen Verlaufs des Drehmoments des Verdichters des Abgasturboladers und des mechanischen Laders;
4 eine Darstellung der Abhängigkeit des Drucks vom Luftmassenstrom einerseits hinter einem Verdichter eines allein zur Aufladung dienenden Abgasturboladers bzw. andererseits hinter einer Kombination aus einem Verdichter eines Abgasturboladers und einem mechanischen Lader in Parallelschaltung.
Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Ansaugtrakt 2 zur Ansaugung von Frischluft in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 und einen Abgastrakt 4 zur Abfuhr der Verbrennungsabgase aus den Zylindern 3. Der Abgastrakt 4 umfasst einen Abgaskrümmer 5 und ein Auspuffrohr 6, zwischen denen eine vom Abgas durchströmte Turbine 7 eines zur Aufladung der Brennkraftmaschine dienenden Abgasturboladers 8 angeordnet ist. Der Abgasturbolader 8 umfasst weiter einen von der Turbine 7 über eine Welle 9 angetriebenen Verdichter 10, der im Ansaugtrakt 2 angeordnet ist und durch einen Luftfilter 11 aus der Umgebung angesaugte Frischluft vor ihrer Zufuhr in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 verdichtet. Zwischen dem Abgaskrümmer 5 und dem Auspuffrohr 6 befindet sich auch ein sogenanntes Wastegate 12, d. h. ein Abgasbypassventil, durch das ein Teil der Abgase an der Turbine 7 vorbei geleitet werden kann. Das Auspuffrohr 6 kann zur Rückführung eines Teils der Abgase in den Ansaugtrakt 2 mit diesem durch eine Abgasrückführleitung 13 oder 14 verbunden sein, die vor dem Verdichter 10 oder vor dem Luftfilter 11 in den Ansaugtrakt 2 mündet.
Neben dem Verdichter 10 des Abgasturboladers 8 ist im Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 ein mechanischer Lader oder Kompressor 15 vorgesehen, der in Parallelschaltung zum Verdichter 10 angeordnet ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird der mechanische Lader 15 von einem Elektromotor 16 angetrieben, der von einer Steuer- bzw. Regeleinheit 17 bei Bedarf ein- und ausgeschaltet wird. Alternativ kann der Lader 15 jedoch auch über eine Kupplung (nicht dargestellt) von der Brennkraftmaschine 1 selbst angetrieben werden, wobei in diesem Fall die Steuer- bzw. Regeleinheit 17 die Kupplung ein- oder ausrückt, wenn der Lader 16 zusätzlich zum Verdichter 10 des Abgasturboladers 8 zur Aufladung der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt bzw. keine zusätzliche Aufladung mittels des Laders 15 vorgenommen werden soll. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Lader 15 so durch die Brennkraftmaschine 1 anzutreiben, dass er ständig mitläuft, ihn jedoch so auszulegen, dass er erst ab einer gewünschten Drehzahl einen merklichen Luftmassendurchsatz liefert.
Der Verdichter 10 und der mechanische Lader 15 kommunizieren über eine gemeinsame Saugleitung 18 mit dem Luftfilter 11, so dass der Druck p₁ am Eingang des Verdichters 10 und des Laders 15 derselbe ist. Vom Ausgang des Verdichters 10 und des Laders 15 wird die verdichtete Luft mit einem Druck p₂ über Ladeluftleitungen 19, 20 zu einem im Ansaugtrakt 2 angeordneten Ladeluftkühler 21 geführt, in dem die bei ihrer Verdichtung im Verdichter 10 bzw. im Lader 15 erwärmte Luft vor der Zufuhr in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1 abgekühlt wird.
2 zeigt den vom Verdichter 10 des Abgasturboladers (ATL) 8 und vom mechanischen Lader 15 geförderten Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1. Wie man aus 2 sieht, wird der mechanische Lader 16 im unteren Drehzahlbereich nicht zugeschaltet, so dass die Aufladung allein mit Hilfe des Verdichters 10 des Abgasturboladers 8 vorgenommen wird.
Um in diesem Betriebszustand einen Abbau des Ladedrucks des Verdichters 10 infolge eines Rückstroms von verdichteter Luft aus dem Verdichter 10 durch die Ladeluftleitungen 20, 19 und den Lader 15 zu verhindern, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Rückschlagventil 22 in der Ladeluftleitung 19 hinter dem Lader 15 vorgesehen. An Stelle des Rückschlagventils 19 könnte jedoch auch ein Regelventil verwendet werden, das von der Steuer- bzw. Regeleinheit 17 nur dann geöffnet wird, wenn der mechanische Lader 15 in Betrieb genommen wird.
Wenn der Abgasturbolader 8 bei steigender Drehzahl keinen ausreichenden Luftmassendurchsatz bzw. nicht mehr genügend Leistung liefern kann, wie in 2 dargestellt, weil das von der Turbine 7 des Abgasturboladers 8 auf die Antriebswelle 9 des Verdichters 10 aufgebrachte Drehmoment M im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 1 abnimmt (vgl. 3), wird bei einer gewünschten Drehzahl n* der mechanische Lader 15 von der Steuer- und Regeleinheit 17 durch Inbetriebnahme des Elektromotors 16 zugeschaltet. Der mechanische Lader 15 fördert dann parallel zum Verdichter 10 Luft aus dem Luftfilter 11 in die Zylinder 3 der Brennkraftmaschine 1. Das vom Motor 16 gelieferte Drehmoment ML ergänzt das Drehmoment MV der Antriebswelle 9 des Verdichters 10, so dass auch oberhalb der Drehzahl n* ein konstantes Drehmoment M bereitgestellt wird, wie in 3 dargestellt.
Da der Verdichter 10 des Abgasturboladers 8 und der mechanische Lader 15 im gemeinsamen Betrieb jeweils einen Teil des Luftmassendurchsatzes liefern, kann der Verdichter 10 für einen geringeren Luftmassendurchsatz ausgelegt werden, zum Beispiel bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel auf den halben Luftmassendurchsatz im Vergleich zu dem Fall, dass die Aufladung allein mit Hilfe eines Abgasturboladers erfolgt. Im Vergleich zu dem zuletzt genannten Fall kann der Abgasturbolader 8 daher erheblich kleiner dimensioniert werden, was bei niedrigeren Drehzahlen für ein besseres Ansprechverhalten sorgt. Das Wastegate 12 muss jedoch für die größere Abgassteuermenge ausgelegt bleiben.
Neben der Zuschaltung im oberen Drehzahlbereich kann auch im unteren Drehzahlbereich eine Zuschaltung des mechanischen Laders 15 erfolgen, um im Bereich des sogenannten "Turbolochs" des Abgasturboladers für eine zusätzliche Aufladung zu sorgen.
4 zeigt den Druck p₂ in Abhängigkeit vom Luftmassendurchsatz für den Fall, dass nur ein Abgasturbolader 8 zur Aufladung verwendet wird (Bereich I) sowie für den Fall, dass ein Abgasturbolader und ein in Parallelschaltung zum Verdichter 10 des Abgasturboladers 8 geschalteter mechanischer Lader 15 verwendet wird (Bereich II), wie zuvor beschrieben. Wie aus 4 ersichtlich ist, kann der gleiche Druck p₂ mit einem erheblich höheren Luftmassendurchsatz aufrechterhalten werden. Wenn der Abgasturbolader 8 und der mechanische Lader 15 so ausgelegt werden, dass der Verdichter 10 und der mechanische Lader 15 im gemeinsamen Betrieb jeweils etwa die Hälfte des Luftmassendurchsatzes liefern, kann die Steigerung im Vergleich zu einer Aufladung allein mit Hilfe des Abgasturboladers 8 etwa 100 % betragen, wie in 2 und 4 dargestellt.

1: Brennkraftmaschine
2: Ansaugtrakt
3: Zylinder
4: Abgastrakt
5: Abgaskrümmer
6: Auspuffrohr
7: Turbine Abgasturbolader
8: Abgasturbolader
9: Antriebswelle Abgasturbolader
10: Verdichter Abgasturbolader
11: Luftfilter
12: Wastegate
13: Abgasrückführleitung
14: Abgasrückführleitung
15: mechanischer Lader
16: Elektromotor
17: Steuer- oder Regeleinheit
18: Saugleitung
19: Ladeluftleitung
20: Ladeluftleitung
21: Ladeluftkühler
22: Rückschlagventil
p₁: Druck vor Lader und Verdichter
p₂: Druck hinter Lader und Verdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19928523 A1 [0006]

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader und einem zusammen mit einem Verdichter des Abgasturboladers in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten mechanischen Lader, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (15) in Parallelschaltung zum Verdichter (10) im Ansaugtrakt (2) angeordnet ist und in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) zugeschaltet wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens ein hinter dem mechanischen Lader (15) im Ansaugtrakt (2) angeordnetes Ventil (22), das einen Austritt von verdichteter Luft aus dem Verdichter (10) durch den Lader (15) verhindert.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Rückschlagventil (22) ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Regelventil ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Lader (15) regelbar ist, um einen Austritt von verdichteter Luft aus dem Verdichter (10) durch den mechanischen Lader (15) zu verhindern.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Lader (15) ein Schraubenverdichter mit einem Einlassdrehschieber ist, und dass der Einlassdrehschieber geschlossen wird, um den Austritt von verdichteter Luft aus dem Verdichter (10) durch den mechanischen Lader (15) zu verhindern.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) des Abgasturboladers (8) und der mechanische Lader (15) für einen ähnlichen Luftmassendurchsatz ausgelegt sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Lader (15) von einem Elektromotor (16) angetrieben wird, der im oberen Drehzahlbereich eingeschaltet wird.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Lader (15) mit der Brennkraftmaschine (1) über eine Kupplung verbunden ist, die im oberen Drehzahlbereich geschlossen wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) und der mechanische Lader (15) kommunizierende Eingänge aufweisen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Abgasturbolader sowie einem zusammen mit einem Verdichter des Abgasturboladers in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten mechanischen Lader, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (15) im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) in Parallelschaltung zum Verdichter (10) des Abgasturboladers (8) zugeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (15) zugeschaltet wird, wenn die Leistung des Abgasturboladers (8) bzw. der Luftmassendurchsatz des Verdichters (10) im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) sinkt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (15) auch in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine (1) zugeschaltet wird.