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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere Ottomotor,
mit einem Abgasturbolader mit einer von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmten
Turbine, die einen Verstellmechanismus mit verstellbaren Leitschaufeln
(VTG – variable Turbinengeometrie) zum Beeinflussen der
Strömungsverhältnisse in der Turbine aufweist,
und einem von der Turbine angetriebenen Verdichter, wobei ein Wastegate
vorgesehen ist, welches einen Teil des Abgases an der Turbine vorbei
leitet, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei
der Auslegung eines Abgasturboladers (ATL) mir variabler Turbinengeometrie
(VTG) an einem Ottomotor muss ein Kompromiss gefunden werden. Die
Variabilität, die ein VTG-ATL bzgl. des Massenstromdurchsatzes
an der Turbine ermöglicht reicht nicht aus, um die sehr
große Massenstromspreizung eines Ottomotors vollständig
auffangen zu können. Daher muss man sich entscheiden, welcher Drehzahlbereich
des Motors vorwiegend optimiert werden soll. Soll dies vor allem
der Nennlastbereich, also die hohen Motordrehzahlen, sein, ist es
ratsam die VTG-Turbine derart auszulegen, dass der gesamte Abgasmassenstrom
des Motors an der Nennlast von der Turbine in geöffneter
VTG-Stellung verarbeitet werden kann. Mit einer solchen Auslegung
wird sichergestellt, dass die im Abgas enthaltene Energie vollständig
von dem Turbolader genutzt wird. Der Wirkungsgrad des Laders bezogen
auf die von dem Motor zur Verfügung gestellte, gesamte
Abgasenergie wird maximal und es können deutliche Leistungs(Pe-)steigerungen
erzielt werden. Die Massenstromspreizung einer VTG-Technologie reicht
bei einer solchen Auslegung aus, um noch deutliche Vorteile im mittleren
Drehzahlbereich des Motors erzielen zu können. Im Low-End-Torque
und im transienten Ansprechverhalten führt solch eine Auslegung aber
maximal zu einer Performance, wie sie von einem Standard-ATL erzielt
wird, der nach üblichen Auslegungskriterien für
Serienanwendungen ausgelegt wurde. Soll jedoch nicht primär
die Nennleistung angehoben, sondern vor allem der untere Drehzahlbereich
(das Low-End-Torque) optimiert werden, dann ist eine solche Auslegung
der VTG bzw. der Turbine nicht zielführend.
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Der
Einsatz von Abgasturboladern (ATL) mit variabler Turbinengeometrie
(VTG) verspricht auch bei Ottomotoren ein großes Potential.
Im Gegensatz zum Dieselmotor weisen ottomotorische Brennverfahren
eine deutlich höhere Sensibilität hinsichtlich des
Restgasgehalts im Zylinder auf. Ein zu hoher Restgasgehalt reduziert
das Volumen für das Frischgemisch und erhöht die
Klopfneigung, was zu wirkungsgradungünstigen Zündwinkeln
führt. Der durch den Turbolader erzeugte Ladedruck kann
nicht in ein entsprechend hohes Drehmoment umgesetzt werden, wenn
aufgrund der erhöhten Klopfneigung solch wirkungsgradungünstige
Zündwinkel eingestellt werden müssen. Es ist also
bei der Aufladung eines Ottomotors darauf zu achten, dass der Ladungswechsel
des Motors nicht soweit verschlechtert wird, dass ein kritisches
Niveau des Restgasgehaltes im Zylinder überschritten wird.
Ein wesentlicher Punkt ist daher die Vermeidung von zu hohen Abgasgegendrücken,
die bei einem aufgeladenen Motor durch das Aufstauen des Abgases
vor der Turbine entstehen können. Bei der Auslegung eines
ATL – unabhängig ob VTG oder Starrgeometrie – muss
der oben geschilderte Sachverhalt berücksichtigt werden.
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Die
Verwendung der VTG-Technologie an einem Ottomotor ist vorteilhaft,
um das Ansprechverhalten des aufgeladenen Motors zu verbessern.
Aufgeladene Motoren weisen mit Ausnahme von aufwändigen
mehrstufigen Aufladeverfahren, eine Anfahrschwäche und
eine gewisse Trägheit bei Lastanforderungen aus tiefen
Drehzahlen und Lasten heraus auf was als "Turboloch" bezeichnet
wird. Soll dieses "Turboloch" bei Verwendung eines VTG-ATL vermieden
werden, darf das Matching, d. h. die Auslegung des ATL, nicht zu
groß gewählt werden. Ein großer ATL benötigt
zum Aufbau des Soll-Ladedruckes eine längere Zeit als ein
kleinerer ATL.
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Um
dieses Problem auszuräumen ist es beispielsweise aus der
DE 39 41 715 A1 bekannt,
für einen Ottomotor einen VTG-ATL einzusetzen, der über ein
zusätzliches Wastegate (WG) verfügt. Durch das zusätzlich
vorhandene Wastegate kann der VTG-ATL optimal auf den unteren Drehzahlbereich
ausgelegt werden. Mit einer derartigen Abstimmung der Komponenten
aufeinander („Matching") lässt sich das "Turboloch"
nicht nur gegenüber einem Starrgeometrie-ATL mit starrer
Turbinengeometrie bei gleicher Nennleistung deutlich reduzieren,
sondern auch gegenüber einem Matching mit einem VTG-ATL
ohne zusätzliches Wastegate. Bei Verwendung eines VTG-ATL
ohne zusätzliches Wastegate muss die Turbine in ihrer für
maximalen Abgasmassendurchsatz optimierten Stellung nämlich
so groß gewählt werden, dass ein zu starkes Aufstauen
des Abgases vor der Turbine vermieden wird, da sich bei einem Ottomotor
ansonsten die zuvor beschriebenen Probleme hinsichtlich des Restgasgehaltes
ergeben.
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Aus
der
DE 10 2004
027 582 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
bekannt, wobei eine Abgasturbine des Abgasturboladers in der Weise
dimensioniert ist, dass das Verhältnis von einem gegebenen
motorspezifischen Durchsatzparameter zu einem turbinenspezifischen
Stopfdurchsatzparameter in einem definierten Wertebereich liegt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine
der o. g. Art das Potential eines Abgasturboladers bei hohen und
gleichzeitig auch niedrigen Drehzahlen optimal auszunutzen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Turbine derart ausgelegt ist, dass bei vollständig
oder nahezu vollständig geöffneter VTG, d. h.
die Leitschaufeln stehen in maximaler oder nahezu maximaler Öffnungsstellung,
der im Bereich der Nennleistung der Brennkraftmaschine anfallende
Abgasmassenstrom nur bis zu einem maximalen Anteil A von ca. 50%
bis 75% über die Turbine ohne wesentlichen Aufbau eines
Abgasgegendruckes abströmen kann, wobei das Wastegate derart
ausgelegt ist, dass dieses den bei Nennleistung der Brennkraftmaschine anfallenden
Abgasmassenstrom zu (100-A)% aufnimmt und im Wesentlichen ohne Aufbau
eines Abgasgegendruckes an der Turbine vorbei leitet.
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Dies
hat den Vorteil, dass das zusätzliche Potential der VTG-Technologie
im Hinblick auf die Dynamik insbesondere bei einem Ottomotor maximal ausgenutzt
wird. Bei niedrigen Drehzahlen ist ein schnelles Ansprechverhalten
gegeben, wobei gleichzeitig ein zu hoher Abgasgegendruck aufgrund
des großen Abgasmassendurchsatzes bei Nennleistung der
Brennkraftmaschine vermieden wird.
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Ein
Problem der Abstimmung von mehreren Stellgliedern untereinander
wird dadurch vermieden, dass ein Stellglied derart angeordnet und
ausgebildet ist, dass dieses Stellglied den Verstellmechanismus und
das Wastegate gemeinsam betätigt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 Kurven
des effektiven spez. Verbrauchs (be) und das Lambda (Kraftstoff/Luftverhältnis)
für eine herkömmliche Brennkraftmaschine in Form
eines Ottomotors mit TwinScroll-ATL, einlass- sowie auslassseitiger
Phasenverstellung der Steuerzeiten und direkter Einspritzung sowie
für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
mit VTG plus WG mir dem spezifiziertem Matching und
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2 eine
graphische Darstellung des Verlaufes von Drehmoment und Leistung über
die Drehzahl für eine o. g. herkömmliche Brennkraftmaschine sowie
für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
mit VTG plus WG mir dem spezifiziertem Matching.
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Bei
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenem Matching für
eine Turbine eines Abgasturboladers (ATL) mit variabler Turbinengeometrie
(VTG) einer Brennkraftmaschine ist der VTG-ATL bei für
maximalen Massenstrom optimaler VTG-Stellung für den an
der Nennleistung anfallenden Abgasmassenstrom zu klein, was zu sehr
hohen Abgasgegendrücken führen würde
und die zuvor beschriebenen negativen Auswirkungen auf den Motorbetrieb
hätte. Um dies zu vermeiden wird das Wastegate geöffnet und
der zu starke Anstieg des Abgasgegendruckes und damit auch die nachteiligen
Auswirkungen auf den Motorbetrieb vermieden.
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Die
Aufteilung des Abgasmassenstromes auf den Turbinen- und den Wastegatezweig
ist ein für die Motorperformance maßgeblicher
Parameter. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen
für ein besonders gutes Low-End-Torque-Verhalten des Motor-Ladersystems
eine Aufteilung des gesamten im Nennleistungspunkt oder im Bereich
der Nennleistung anfallenden Abgasmassenstromes zwischen VTG-Turbine
und Wastegate von ca. 75%/25% (Turbinendurchsatz/WG-Durchsatz) bis
ca. 50%/50% (Turbinendurchsatz/WG-Durchsatz) zu wählen.
Wird weniger Abgas durch das Wastegate geleitet, muss die Turbine
sehr groß ausgelegt werden und das Dynamikverhalten verschlechtert
sich. Wird mehr Abgas durch das Wastegate geleitet, geht ein Teil
des Wirkungsgradvorteils der VTG wieder verloren, der Abgasgegendruck
in der Nähe des Nennleistungspunktes steigt an, was zu
Verbrauchseinbußen an der Volllast führen würde.
Die Charakteristik des ATL ähnelt dann mehr der eines Starrgeometrieladers
mit Wastegate.
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Die
Regelung der VTG erfolgt vorzugsweise über einen E-Steller,
eine Unterdruckpumpe oder eine Delta-p-Unterdruckdose. Das Wastegate
wird ebenfalls vorzugsweise über einen elektrischen E-Steller
oder einen Pneumatikaktuator (Unter-, Überdruck oder Delta-p)
betätigt, wobei die konstruktive Gestaltung bevorzugt derart
ausgeführt ist, dass ein Aktuator (beispielsweise ein E-Steller)
in einem ersten Teil seines Verstellweges die VTG betätigt
bis sie eine definierte Öffnung, beispielsweise 80% der maximal
möglichen Öffnung, erreicht hat und in einem zweiten
Teil des Verstellweges die Wastegateklappe öffnet. Auf
diese Weise ist die Betätigung beider Regelorgane über
einen gemeinsamen Steller realisiert.
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Die
VTG bzw. die Turbine ist erfindungsgemäß derart
ausgelegt, dass schon bei kleinsten Drehzahlen eine sehr gute Performance
erreicht wird. Bei einer solchen Auslegung reicht die Massenstromspreizung
des VTG-Mechanismus jedoch nicht aus, um den Abgasmassenstrom am
Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine aufnehmen zu können,
ohne dass sich dabei ein nennenswerter Abgasgegendruck aufbaut.
Die Turbine ist auch in der Maximalposition der VTG zu klein. Daher
ist ein zusätzliches Wastegate vorgesehen. Damit wird gegenüber
der oben beschriebenen Auslegung im Nennleistungspunkt zwar ein
niedrigerer Wirkungsgrad erzielt, aber im Vergleich zu einen Standard-ATL
fällt der den Wirkungsgrad mindernde Wastegate-Massenstrom
geringer aus. D. h. bei gleicher Nennleistung wird mit einer derartigen
Auslegung der VTG sowie der Turbine ein deutlich reduzierter Verbrauch
erzielt.
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1 zeigt
einen Vergleich zwischen einer herkömmlichen Konfiguration
einer Brennkraftmaschine mit TwinScroll-ATL, einer einlass- und
auslassseitigen Phasenverstellung der Steuerzeiten sowie direkter
Einspritzung einerseits und einer Auslegung des VTG-ATL gemäß der
vorliegenden Erfindung andererseits. Auf einer horizontalen Achse 10 ist
eine Drehzahl in [1/min], auf einer ersten vertikalen Achse 12 ist
ein spezifischer Verbrauch in [g/KWh] und auf einer zweiten vertikalen
Achse 14 ist ein Wert für Lambda aufgetragen.
Ein erster Graph 16 veranschaulicht einen Verlauf des spezifischen Verbrauchs 12 über
die Drehzahl 10 für eine erfindungsgemäße
Brennkraftmaschine, ein zweiter Graph 18 veranschaulicht
einen Verlauf des spezifischen Verbrauchs 12 über
die Drehzahl 10 für die o. g. herkömmliche
Brennkraftmaschine, ein dritter Graph 20 veranschaulicht
einen Verlauf des Lambdawertes 14 über die Drehzahl 10 für
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und ein
vierter Graph 22 veranschaulicht einen Verlauf des Lambdawertes 14 über
die Drehzahl 10 für die o. g. herkömmliche Brennkraftmaschine.
Es ergibt sich ein Verbrauchsvorteil 24 von 7% bis 15%.
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Mit
der erfindungsgemäßen Auslegung eines VTG-ATL
mit Wastegate wird vor allem das Low-End-Torque und das transiente
Ansprechverhalten angehoben. 2 zeigt daher
einen Vergleich zu dem aktuell leistungsfähigsten Aufladekonzept
mit nur einem Aufladeaggregat, wie zuvor bei 1 beschrieben.
Auf der horizontalen Achse 10 ist wieder die Drehzahl in
[1/min], auf einer dritten vertikalen Achse 26 ist ein
Drehmoment in [Nm] und auf einer vierten vertikalen Achse 28 ist
eine Leistung in [KW] aufgetragen. Ein fünfter Graph 30 veranschaulicht den
Verlauf des Drehmomentes 26 über die Drehzahl 10 für
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine, ein
sechster Graph 32 veranschaulicht den Verlauf des Drehmomentes 26 über
die Drehzahl 10 für die o. g. herkömmliche
Brennkraftmaschine, ein siebter Graph 34 veranschaulicht
den Verlauf der Leistung 28 über die Drehzahl 10 für
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und ein
achter Graph 36 veranschaulicht den Verlauf der Leistung 28 über
die Drehzahl 10 für die o. g. herkömmliche
Brennkraftmaschine.
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Wie
aus 2 unmittelbar ersichtlich kann das Moment bei
einer Drehzahl 10 von beispielsweise 1500 1/min (Pfeil 38)
mit einer erfindungsgemäßen VTG/WG-Auslegung (im
Bereich 75%/25% bis 50%/50% Massenstromaufteilung VTG-Turbine/Wastegate)
um 15%–25% angehoben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3941715
A1 [0005]
- - DE 102004027582 A1 [0006]