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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine
mit einem Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
der
DE 103 57 925
A1 wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
beschrieben, dessen Abgasturbine im Abgasstrang zwei separate Fluten
unterschiedlicher Größe aufweist, über die
dem Turbinenrad der Abgasturbine jeweils Abgas zuführbar
ist. Jede der beiden Fluten wird über eine Abgasleitung
mit Abgas versorgt, die jeweils mit einer Zylinderbank der Brennkraftmaschine
strömungsmechanisch verbunden ist. Stromauf der Abgasturbine sind
die beiden Abgasleitungen gegenseitig über eine Verbindungsleitung
mit darin angeordnetem, einstellbarem Sperrventil verbunden, darüber
hinaus ist in der Abgasleitung für die größere
Abgasflut ein weiteres einstellbares Sperrventil angeordnet. Je nach
Stellung der Sperrventile können die Massenströme
durch die Abgasleitungen und die zugeordneten Fluten separat gehalten
werden, so dass ein Strömungsausgleich zwischen den Abgasleitungen
bzw. zwischen den Abgasfluten nicht möglich ist, oder es wird
das gesamte Abgas beider Zylinderbänke auf die kleinere
Strömungsflut geleitet oder es wird das Abgas beider Zylinderbänke
mit gleichem Druck sowohl der kleineren als auch der größeren
Flut zugeführt.
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Aufgrund
der hohen, vom Motor verursachten Druckpulsationen in den Abgasleitungen
entstehen auf die Sperrventile einwirkende Gaskräfte, die unerwünschte Änderungen
der Ventilposition zur Folge haben können. Die Sperrventile
müssen daher so ausgelegt werden, dass durch Druckpulsationen
entstehende Gaskräfte keine ungewollten Einstelländerungen,
die zu Leckagen führen können, bewirken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines einfachen
Verfahrens eine Wirkungsgradsteigerung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
deren Abgasturbine zweiflutig ausgebildet ist, herbeizuführen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, in einem ersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine
eine in einem Schaltgehäuse einer Schalteinrichtung um eine
Drehachse schwenkbare, undurchströmbare, in einem Verbindungsraum
der Schalteinrichtung gelagerte Sperrklappe in eine Drehlage zu
verdrehen, welche einer ersten Drehlage oder einer zweiten Drehlage
oder jeder zwischen der ersten Drehlage und der zweiten Drehlage
einzunehmenden ersten Zwischendrehlage entspricht. Die zweite Flut
ist bei jeder Positionierung der Sperrklappe in diesem ersten Betriebsbereich
vollständig geöffnet. Mit Hilfe der Sperrklappe
wird ein Strömungsweg für das Abgas von einer
ersten und einer zweiten Abgasleitung, die einerseits mit Abgaskrümmern
der Brennkraftmaschine in Verbindung stehen und andererseits mit dem
Verbindungsraum verbunden sind, in die erste Flut und/oder die zweite
Flut freigegeben, wobei eine Konditionierung des Abgases stromauf
eines Turbinenrades der Abgasturbine in Abhängigkeit der
vollständig oder teilweise geöffneten oder gesperrten ersten
Flut erfolgt. Der erste Betriebsbereich der Brennkraftmaschine,
in der Regel ein Volllastbereich, zeichnet sich dadurch aus, dass
eine Abgasnachbehandlungseinheit der Brennkraftmaschine geforderte Betriebstemperaturen
aufweist. In diesem Betriebsbereich sind höchste Wirkungsgrade
der Abgasnachbehandlungseinheit zu erzielen. Vorteilhafterweise
ist durch gezieltes öffnen der ersten Flut mit Hilfe der Sperrklappe
eine Änderung der Abgasrückführmenge
unter Herbeiführung einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
zu realisieren.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung wird in einem
zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine die Sperrklappe in
die Drehlage positioniert, welche einer dritten Drehlage oder der
zweiten Drehlage oder jeder zwischen der dritten Drehlage und der
zweiten Drehlage einzunehmenden zweiten Zwischendrehlage entspricht.
In diesem zweiten Betriebsbereich ist dabei die erste Flut für
jede Drehlage der Sperrklappe vollständig geöffnet.
Mit Hilfe der Sperrklappe wird ein Strömungsweg für
das Abgas von der ersten und zweiten Abgasleitung, in die erste Flut
und/oder die zweite Flut freigegeben, wobei eine Konditionierung
des Abgases stromauf des Turbinenrades in Abhängigkeit
der geöffneten/gesperrten zweiten Flut erfolgt. Der zweite
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, in der Regel ein niedriger
Lastbereich, zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgasnachbehandlungseinheit
der Brennkraftmaschine noch nicht die geforderten Betriebstemperaturen
aufweist. In diesem Betriebsbereich werden im Allgemeinen aufgrund
der niedrigen Betriebstemperaturen der Abgasnachbehandlungseinheit
nur geringe Schadstoffreduzierungen erzielt. Durch ein gezieltes öffnen
oder Sperren der zweiten Flut sind hohe Abgasrückführmengen
zu realisieren, wobei ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinheit
erreicht werden kann.
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In
einer weiteren Ausbildung des Verfahrens wird die Drehlage der Sperrklappe
in Abhängigkeit von Motorbetriebsparameter und/oder Abgasturboladerbetriebsparameter
bestimmt, so dass zu jedem Motorbetriebspunkt und/oder jedem Abgasturboladerbetriebspunkt
eine im Hinblick auf beispielsweise den Kraftstoffverbrauch und/oder
Drehmoment und/oder Wirkungsgrad, günstigste Drehlage eingestellt
werden kann.
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In
einer weiteren Ausbildung des Verfahrens wird die Drehlage vorteilhafterweise
mit Hilfe einer Regel- und Steuereinheit eingestellt.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit
einer zweiflutigen Abgasturbine, wobei das in die Fluten der Abgasturbine
einströmende Abgas über eine Schalteinrichtung
steuerbar ist,
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2 in
einer Schnittdarstellung die Schalteinrichtung und die zweiflutige
Abgasturbine in einer schematisch dargestellten Verbindung, wobei
ein Abgasstrang der Brennkraftmaschine in einer ersten Variante
zur Stoßaufladung ausgebildet ist,
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3 in
einer Schnittdarstellung die Schalteinrichtung und die zweiflutige
Abgasturbine in einer schematisch dargestellten Verbindung, wobei
der Abgasstrang der Brennkraftmaschine in einer zweiten Variante
zur Stauaufladung ausgebildet ist und
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4 in
einem Diagramm Wirkungsgrade der Abgasturbine über einem
an der Turbine anliegenden Druckverhältnis p3/p4 bei entsprechender Drehlage
einer Sperrklappe der Schalteinrichtung.
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Die
in 1 mit Bezugszeichen 100 bezeichnete Brennkraftmaschine,
bei der es sich um einen Dieselmotor oder um einen Ottomotor handelt, ist
mit einem Abgasturbolader 20 ausgestattet, der einen Verdichter 1 im
Ansaugtrakt 2 und eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 umfasst,
wobei das Verdichterrad und das Turbinenrad über eine Welle 5 drehgekoppelt
sind. Die Abgasturbine 3 ist zweiflutig ausgestattet und
besitzt eine erste Flut 6 und eine zweite Flut 7,
wobei sich die Fluten 6 und 7 im Strömungsquerschnitt
unterscheiden. Die erste Flut 6 weist im Vergleich mit
der zweiten Flut 7 einen kleineren Strömungsquerschnitt
auf.
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Über
beide Fluten 6 und 7 ist dem Turbinenrad Abgas
aus dem Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 100 zuführbar.
Des Weiteren ist die Abgasturbine 3 mit einer variablen
Turbinengeometrie 8 versehen, über die der wirksame
Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen Stauposition
und einer maximalen Öffnungsposition veränderlich
einstellbar ist.
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Die
beiden Fluten 6 und 7 sind über Abgasleitungen 22 und 23 des
Abgasstranges 4 mit den Abgaskrümmern 30 bzw. 31 jeweils
einer Zylinderbank 10 bzw. 11 der Brennkraftmaschine 100 verbunden. In
den Abgasleitungen 22 und 23 befindet sich eine gemeinsame
Schalteinrichtung 40, über die der Abgasmassenstrom
in jede Flut 6 bzw. 7 steuerbar ist. Die Leitungsabschnitte
in den Abgasleitungen 22 und 23 stromauf der Schalteinrichtung 40 sind
mit den Bezugszeichen 35 und 36 versehen.
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Stromab
der Schalteinrichtung 40 zweigt vom Abgasstrang 4 ein
Bypass 50 ab, in den ein einstellbares Bypassventil 48 integriert
ist. Der Bypass 50 umfasst eine erste Bypassleitung 51,
die von der Abgasleitung 22 der ersten Flut 6 abzweigt
und in das Bypassventil 48 mündet, und eine zweite
Bypassleitung 52, die in entsprechender Weise von der Abgasleitung 23 der
zweiten Flut 7 abzweigt und ebenfalls in das Bypassventil 48 mündet. Über
eine weitere Bypassleitung 53, die als eine Verbindung
des Bypassventils 48 mit dem Abgasstrang 4 stromab
der Abgasturbine 3 ausgestaltet ist, wird der Bypass 50 vervollständigt.
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Die
Brennkraftmaschine 100 ist außerdem mit einer
Abgasrückführeinrichtung versehen, die eine Rückführleitung 16 zwischen
dem Abgasstrang 4 und dem Ansaugtrakt 2, einen
in der Rückführleitung 16 angeordneten
Abgaskühler 15 sowie ein unidirektionales und
zweckmäßig einstellbares Rückführventil 17 umfasst.
Die Rückführleitung 16 verzweigt im Strömungsweg
zwischen der Schalteinrichtung 40 und der Abgasturbine 3 von
der Abgasleitung 22 der ersten Flut 6 und mündet
stromab eines Ladeluftkühlers 14 in den Ansaugtrakt 2,
wobei der Ladeluftkühler 14 stromab des Verdichters 1 im
Ansaugtrakt angeordnet ist. Mit Hilfe der Schalteinrichtung 40 ist
eine Einstellung einer Abgasrückführmenge realisierbar.
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Weiterhin
weist die Brennkraftmaschine 100 zur Reduzierung der Schadstoffemission
stromab der Turbine 3 eine Abgasnachbehandlungseinheit 19 im Abgasstrang 4 auf.
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Sämtliche
Aggregate der Brennkraftmaschine werden in Abhängigkeit
von Zustands- und Kenngrößen über Stellsignale
einer Regel- und Steuereinheit 18 eingestellt. Dies betrifft
insbesondere die Schalteinrichtung 40, das Bypassventil 48,
die variable Turbinengeometrie 8 sowie das Rückführventil 17.
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In 2 ist
die Schalteinrichtung 40 in einer schematisch dargestellten
Verbindung mit der zweiflutigen Abgasturbine 3 in einem
Schnitt dargestellt. Der Abgasstrang 4 ist derart ausgebildet,
dass eine sogenannte Stoßaufladung realisierbar ist. Eine Stoßaufladung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad von aus den Zylindern
ausgeschobenem Abgas druckstoßartig beaufschlagt wird.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 3 den Abgasstrang 4 in
einer Form, mit Hilfe derer eine sogenannte Stauaufladung durchführbar
ist. Die Stauaufladung ist dadurch gekennzeichnet, dass das aus
den Zylindern ausgeschobene Abgas vor dem Turbinenrad eine Beruhigung
erfährt, im Allgemeinen durch ein stromauf des Turbinenrades
vorgesehenes großes Behältervolumen. Dadurch wird
das Turbinenrad mit einem annähernd konstanten, dem jeweiligen
Betriebspunkt entsprechenden Abgasgegendruck beaufschlagt.
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Die
Schalteinrichtung 40 weist in einem Schaltgehäuse 41 einen
Verbindungsraum 42 auf, der die in das Schaltgehäuse 41 einmündenden
Leitungsabschnitte 35 und 36 der Abgasleitungen 22, 23 mit
Kanälen 43 und 44 verbindet, welche mit
den Fluten 6 bzw. 7 verbunden sind. Im Verbindungsraum 42 ist
eine Sperrklappe 45 um eine Drehachse 46 schwenkbar
gelagert, wobei die Drehachse 46 zentral durch die Mitte
der Sperrklappe 45 verläuft, derart, dass sich
gleich große Klappenflügel 45a und 45b der
Sperrklappe 45 zu beiden Seiten der Drehachse 46 erstrecken.
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Die
Sperrklappe 45 ist zwischen zwei axial beabstandeten Deckscheiben 62, 63 eingefasst,
mit Hilfe derer die als Drehschieber ausgeführte Sperrklappe 45 im
Schaltgehäuse 41 umfangsseitig gelagert ist. Eine
zwischen den Kanälen 43 und 44 im Schaltgehäuse 41 angeordnete
sich ambossförmig erweiternde Trennwand 61 weist
eine teilkreisförmige Stützfläche auf,
auf der sich die Deckscheiben 62 und 63 abstützen.
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Der
Trennwand 61 diagonal gegenüberliegend befindet
sich gem. 2 zur Realisierung der Stoßaufladung
eine weitere, schmal zulaufende Trennwand 60 im Schaltgehäuse 41,
die die Leitungsabschnitte 35 und 36 separiert.
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Die
Sperrklappe 45 kann unterschiedliche Positionen, respektive
Drehlagen ϕS einnehmen. Über die aktuelle Drehlage ϕS
der Sperrklappe 45 ist eine Massenstromzufuhr des Abgases
zu den Fluten 6 und 7 regulierbar. Steht die Sperrklappe 45 in
einer ersten Drehlage ϕmax, ist die zweite Flut 7 vollständig
geöffnet, während die Flut 6 von der
Sperrklappe 45 vollständig verschlossen ist. Das
Abgas strömt in dieser Drehlage ϕS aus dem ersten
Leitungsabschnitt 35 und aus dem zweiten Leitungsabschnitt 36 vollständig
in die zweite Flut 7.
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Steht
die Sperrklappe 45 dagegen in der zweiten Drehlage ϕm
so ist sowohl die erste Flut 6 als auch die zweite Flut 7 vollständig
geöffnet. Entsprechend der Ausführung des Abgasstranges 4 gemäß 2,
findet aufgrund der Trennwand 60 allerdings keine Durchmischung
des Abgases von dem ersten Leitungsabschnitt 35 und dem
zweiten Leitungsabschnitt 36 stromauf der Schalteinrichtung 40 statt. Das
bedeutet, dass dem Prinzip der Stoßaufladung entsprechend
das Abgas der aus den mit dem Abgaskrümmer 30 verbundenen
Zylindern der ersten Zylinderbank 10 über die
erste Abgasleitung 22 und den ersten Leitungsabschnitt 35 sowie
den Verbindungsraum 42 und den ersten Kanal 44 direkt
druckstoßartig in die erste Flut 6 strömt.
Ebenso strömt das Abgas aus den mit dem Abgaskrümmer 31 verbundenen
Zylindern der zweiten Zylinderbank 11 über die zweite
Abgasleitung 23 und den zweiten Leitungsabschnitt 36 sowie
den Verbindungsraum 42 und den zweiten Kanal 45 direkt
in die zweite Flut 7.
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In
einer dritten Drehlage ϕmin der Sperrklappe 45,
ist die erste Flut 6 vollständig geöffnet,
während die zweite Flut 7 von der Sperrklappe 45 vollständig
verschlossen ist. Das Abgas strömt in dieser Drehlage ϕS
aus dem ersten Leitungsabschnitt 35 und aus dem zweiten
Leitungsabschnitt 36 in die erste Flut 6.
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Entspricht
die Ausführung des Abgasstranges 4 der in 3 dargestellten
Form zur Realisierung der Stauaufladung, so erfolgt im Gegensatz
zur Ausführung des Abgasstranges 4 gemäß 2 stromauf
der Schalteinrichtung 40 eine Durchmischung des Abgases
der Leitungsabschnitte 35, 36.
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4 zeigt
in einem Diagramm Wirkungsgrade ηT der zweiflutigen Abgasturbine 3 über
einem an der Abgasturbine 3 anliegenden Druckverhältnis p3/p4
bei konstanter Drehlage ϕS der Sperrklappe 45.
Der Druck p3 kennzeichnet den Druck des Abgases vor dem Turbinenrad,
wohingegen der Druck p4 den Druck des Abgases nach dem Turbinenrad
beschreibt.
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In
einem ersten Betriebsbereich B1 (s. 4) der Brennkraftmaschine 100,
welcher sich durch eine hohe Last auszeichnet, wobei darunter ein oberer
Mittellast- bis Volllastbereich der Brennkraftmaschine 100 zu
verstehen ist, ist die Sperrklappe 45 vorteilhafterweise
in die erste Drehlage ϕmax oder der zweiten Drehlage ϕm
oder jeder zwischen der ersten Drehlage ϕmax und der zweiten
Drehlage ϕm liegenden erste Zwischendrehlage ϕ1
zu positionieren. Insbesondere in Motorbetriebsphasen, in denen die
Abgasnachbehandlungseinheit 19 derartige Betriebstemperaturen
aufweist, bei denen hohe Wirkungsgrade erreicht werden, ist es möglich
durch gezieltes öffnen der ersten Flut 6 eine Änderung
der Abgasrückführmenge unter Herbeiführung
einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu erzielen. Mit Hilfe der
hohen Wirkungsgrade können höhere Rohnox-Emissionen,
welche unter Erzielung einer Verbrauchsbegünstigung durch
Einstellen von frühen Einspritzzeitpunkten bei einer Reduzierung
der Abgasrückführmenge in Erscheinung treten,
in der Abgasnachbehandlungseinheit 19 reduziert werden.
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In
einem zweiten Betriebsbereich B2 der Brennkraftmaschine 100,
welcher sich durch eine mittlere bis niedrige Last auszeichnet,
wobei darunter ein Leerlaufbereich bis mittlerer Mittellastbereich
der Brennkraftmaschine 100 zu verstehen ist, ist die Sperrklappe 45 bevorzugt
in eine dritte Drehlage ϕmin oder in die zweite Drehlage ϕm
oder in jede zwischen der dritten Drehlage ϕmin und der
zweiten Drehlage ϕm liegenden zweiten Zwischendrehlage ϕ2
zu positionieren. Insbesondere in den Motorbetriebsphasen, in denen
die Abgasnachbehandlungseinheit 19 Betriebstemperaturen
aufweist bei denen noch kein maximaler Wirkungsgrad der Abgasnachbehandlungseinheit 19 zu
erreichen ist, ist es möglich durch gezieltes Öffnen/Sperren
der zweiten Flut 7 hohe Abgasrückführmengen
zu realisieren, wodurch ein schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinheit 19 ermöglicht
wird.
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Die
Drehlage ϕS der Sperrklappe 45 wird idealerweise
in Abhängigkeit von Motorbetriebsparameter, wie beispielsweise
Last oder Drehzahl der Brennkraftmaschine oder in Abhängigkeit
von Betriebsparameter des Abgasturboladers wie beispielsweise Durchsatz,
Abgasturboladerdrehzahl, Ladedruck oder Abgasgegendruck bestimmt.
Somit kann eine dem entsprechenden Betriebspunkt angepasste Drehlage ϕS
eingestellt werden. Vorteilhafterweise wird die Drehlage ϕS
mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit 18 der Brennkraftmaschine 100 eingestellt, wobei
in der Regel- und Steuereinheit 18 abgelegte Kennfelder
in Abhängigkeit der Drehlage ϕS abgebildet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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