DE102007060415A1 - Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Brennkraftmaschine und Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug Download PDF

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Wolfgang Dr.-Ing. Sladek
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader (12), welcher als Laufzeug (14) ein in einem Ansaugtrakt (16) der Brennkraftmaschine (10) angeordnetes Verdichterrad (18) und ein drehfest mit dem Verdichterrad (18) gekoppeltes Turbinenrad (22) in einem wenigstens zweiflutig ausgebildeten Abgastrakt (24) der Brennkraftmaschine (10) umfasst, wobei ein Abgasführungsabschnitt (26) eines Gehäuses (28) des Abgasturboladers (12) zumindest einen ersten, mit einer ersten Abgasflut (24a) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30a) und einen zweiten, mit einer zweiten Abgasflut (24b) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30b) aufweist, welche unabhängig voneinander von Abgas durchströmbar sind. Im Abgasführungsabschnitt (26) sind zwei Leitgitterelemente (42a, 42b) stromauf des Turbinenrads (22) und stromab jeweiliger Spiralkanäle (30a, 30b) angeordnet, wobei das erste und das zweite Leitgitterelement (42a, 42b) einem ersten Asymmetriegrad (A1) entsprechend ausbildbar sind, welcher als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters (Theta42a) und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters (Theta42b) bestimmbar ist und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader.
  • Durch die fortwährende Verschärfung der Emissionsgrenzwerte, beispielsweise der NOx- und Rußemissionsgrenzwerte, steigen auch die Anforderungen an Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader. So ergeben sich beispielsweise wachsende Anforderungen hinsichtlich der Ladedruckbereitstellung über mittlere oder hohe Lastanforderungsbereiche der Brennkraftmaschine, wodurch Abgasturbolader geometrisch verkleinert werden müssen. Die geforderten hohen Turbinenleistungen von Abgasturboladern werden mit anderen Worten durch eine Steigerung der Aufstaufähigkeit bzw. durch die Reduktion der Schluckfähigkeit der Abgasturbolader im Zusammenspiel mit der jeweiligen Brennkraftmaschine realisiert. Eine weitere negative Beeinflussung der Leistung von Abgasturboladern ergibt sich aus im Abgastrakt stromab des Turbinenrads des Abgasturboladers angeordnete Abgasnachbehandlungssystemen, beispielsweise Rußfilter, Katalysatoren oder SCR-Anlagen. Diese Abgasnachbehandlungssysteme führen zu einer Druckerhöhung an einem Austritt des Abgasturboladers. Dies bewirkt eine Reduzierung eines die Leistung des Abgasturboladers beschreibenden Turbinendruckgefälles, wobei das Turbinendruckgefälle als Quotient eines Druckes vor dem Turbinenrad bzw. vor einem Eintritt eines Abgasführungsabschnitts und eines Druckes nach dem Turbinenrad bzw. eines Austritts des Abgasführungsabschnitts ermittelbar ist. Auch hierdurch muss die Turbinengröße nochmals zu kleineren Werten ausgelegt werden, um die Leistungsanforderung der Verdichterseite des Abgasturboladers befriedigen zu können. Hierdurch steht jedoch selbst bei einem Abgasturbolader, dessen Abgasführungsabschnitt zwei unabhängig voneinander mit Abgas durchströmbare Spiralkanäle aufweist, in bestimmten Betriebspunkten keine ausreichend hohe Abgasmenge zur Verfügung, mit der ein geforderter Ladedruck auf der Verdichterseite erzielbar wäre. Aufgrund der verkleinerten geometrischen Abmessungen der Spiralkanäle kommt es durch Wandreibungen zu vergleichsweise hohen Strömungsverlusten, was zu einer weiteren Senkung des Wirkungsgrads führt. Gleiches gilt für Abgasturbolader, welche im Abgasführungsabschnitt Leitgitterelemente stromauf des Turbinenrads und stromab der Spiralkanäle aufweisen. Derartige Leitgitterelemente erlauben dabei eine Druckerhöhung vor dem Turbinenrad des Abgasturboladers, so dass selbst bei einem geringen Durchsatz von Abgas im ersten Spiralkanal ein verbesserter Wirkungsgrad des Abgasturboladers erzielbar ist.
  • Obwohl also Abgasturbolader, welche einen Abgasführungsabschnitt mit zwei Spiralkanälen und entsprechenden Leitgitterelementen aufweisen, einerseits vergleichsweise kostengünstig in der Herstellung sind, sind andererseits aufwendige und kostenintensive Maßnahmen erforderlich, um eine Verbesserung ihres Wirkungsgrads und entsprechende Verbrauchssenkungen der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Ein weiteres Problem bezüglich einer Abgasrückführungsfähigkeit dieser Abgasturbolader ergibt sich in Verbindung mit der erforderlichen Verbrennungsluft besonders im unteren oder mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine. Bei den üblichen Auslegungsrandbedingungen, die vom Nennpunkt der Brennkraftmaschine, von der Ladungswechselseite und von der Verbrauchsseite definiert werden, kann jedoch auch bei einem zweiflutig ausgebildeten Abgasführungsabschnitt nur ein beschränkter Betriebsbereich optimal bedient werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Brennkraftmaschine bereit zu stellen, welche eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich des Abgasturboladers ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
  • Um eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich des Abgasturboladers zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das erste und das zweite Leitgitterelement einem ersten Asymmetriegrad entsprechend ausbildbar sind, welcher als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters bestimmbar ist und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist, wodurch das Verdichterrad sowohl in unteren als auch in oberen Motordrehzahlbereichen in die Lage versetzt wird, die für ein vorgegebenes Kraftstoff-Luft-Verhältnis erforderliche Luftmenge bereitzustellen. Mit anderen Worten werden die Leitgitterelemente derart ausgebildet bzw. eingestellt, dass sich ein erster Asymmetriegrad zwischen 0,4 und 0,8 ergibt. Der Asymmetriegrad A ist über die kritischen Durchsatzparameter ΘL1, ΘL2 des ersten und des zweiten Leitgitterelements gemäß der allgemeinen Formel A = ΘL1/ΘL2 bestimmbar. Der kritische Durchsatzparameter Θ, welcher für das jeweilige System Abgasturbolader und Brennkraftmaschine einen konstanten Wert darstellt, ist seinerseits mit Hilfe der Funktion
    Figure 00040001
    ermittelbar, wobei
    • mT,NP
    die durch den Abgasführungsabschnitt unter Passieren des Turbinenrads strömende Abgasmasse in der Einheit [kg/s] in einem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine;
    T3,NP
    eine Totaltemperatur der Abgasmasse in der Einheit [K] vor dem Turbinenrad in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine; und
    p3,NP
    einen Totaldruck in der Einheit [bar] vor dem Turbinenrad in dem Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine
    bezeichnet.
  • Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers ist in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass das erste und das zweite Leitgitterelement einem zweiten Asymmetriegrad entsprechend ausbildbar sind, welcher als Quotient des ersten kritischen Durchsatzparameters und eines dritten kritischen Durchsatzparameters bestimmbar ist und Werte zwischen 0,25 und 0,5 aufweist. Ein derartiger zweiter Asymmetriegrad erlaubt insbesondere in oberen Motordrehzahlbereichen eine vorteilhafte Strömungsflächenanpassung bzw. Flächenvergrößerung zwischen den beiden Spiralkanälen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Leitgitterelement und/oder das zweite Leitgitterelement zum Einstellen einer Strömungsfläche insbesondere translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar im Abgasführungsabschnitt angeordnet ist. Mit Hilfe der Bewegbarkeit des ersten und/oder zweiten Leitgitterelements ist eine besonders einfache und variable Anpassbarkeit des effektiven Strömungsquerschnitts des ersten bzw. zweiten Spiralkanals sowie des ersten bzw. des zweiten Asymmetriegrads möglich. Dabei kann vorgesehen sein, dass das erste bzw. zweite Leitgitterelement während einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine in den jeweiligen Spiralkanal bewegt wird, so dass der Abgasturbolader als sogenannte „Turbobrake" fungieren kann. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das erste und/oder zweite Leitgitterelement während einer Befeuerungsphase der Brennkraftmaschine in oder aus dem Spiralkanal bewegt werden, wodurch eine optimale Anpassbarkeit der Leistungsabgabe des Abgasturboladers an die jeweils vorherrschenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine und eine einfache Einstellbarkeit des ersten bzw. zweiten Asymmetriegrads ermöglicht ist.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem das erste Leitgitterelement und/oder das zweite Leitgitterelement mit einer Motorsteuereinrichtung der Brennkraftmaschine gekoppelt und in Abhängigkeit von Steuersignalen zu bewegen ist bzw. sind. Auf diese Weise kann die Bewegung des ersten und/oder des zweiten Leitgitterelements optimal in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abblasevorrichtung ausgelegt ist, Abgas zwischen der ersten Abgasflut und der zweiten Abgasflut umzublasen. Mit anderen Worten ist also vorgesehen, dass mittels der Abblasevorrichtung nicht nur der Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers überbrückbar ist, sondern dass alternativ oder zusätzlich auch Abgas zwischen der ersten und der zweiten Abgasflut umgeblasen werden kann. Dies erlaubt eine Feintrimmung des Abgasdurchsatzes durch den Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers. Weiterhin kann auf diese Weise auch der erste bzw. zweite Asymmetriegrad zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralkanal ausgebildet oder eingestellt werden. Die Abblasevorrichtung kann beispielsweise konstruktiv einfach als Drehschieber ausgebildet sein, wodurch entsprechende Kostensenkungen gegeben sind.
  • Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, dass die Abblasevorrichtung zum Empfangen von Steuersignalen mit der Motorsteuereinrichtung der Brennkraftmaschine gekoppelt und in Abhängigkeit der Steuersignale zu schalten ist. Auch dies erlaubt eine weitere Optimierung der Abgasströmung und damit des Wirkungsgrads des Abgasturboladers, da die Funktionen Abblasen bzw. Umblasen der Abblasevorrichtung gezielt in Abhängigkeit unterschiedlichster Betriebsparameter der Brennkraftmaschine gesteuert werden können.
  • Eine weitere Verbesserung der Emissionswerte der Brennkraftmaschine ist dadurch gegeben, dass im Abgastrakt insbesondere stromab der Abblasevorrichtung eine Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere eine Rußfilter und/oder eine Katalysator- und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist. Eine etwaige Erhöhung eines Gegendrucks des Turbinenrads durch ein derartiges Abgasnachbehandlungssystem kann mit Hilfe des variablen ersten bzw. zweiten Asymmetriegrads vorteilhaft kompensiert werden.
  • Eine weitere Verbesserung der Emissionen der Brennkraftmaschine ist dadurch ermöglicht, dass stromauf der Abblasevorrichtung ein Abgasrückführungssystem angeordnet ist, mittels welchem Abgas aus dem Abgastrakt in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zu leiten ist. Das Abgasrückführungssystem kann dabei sowohl als internes wie auch als externes Abgasrückführungssystem ausgebildet sein und erlaubt insbesondere eine Verminderung von Stickstoffoxiden (NOx) bei der Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkraftmaschine. Aufgrund der hierdurch erhöhten Variabilität der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann das Verhältnis der Abgasrückführungs-Raten zu den jeweils erforderlichen Luft-Kraftstoff-Verhältniszahlen in einem größeren Betriebsbereich optimal eingestellt werden.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass das Abgasrückführungssystem mit der ersten Abgasflut und/oder mit der zweiten Abgasflut gekoppelt ist, wodurch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit unterschiedlichster konstruktiver Randbedingungen und Gegebenheiten ausgebildet werden kann. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass auch das Abgasrückführungssystem mit der Motorsteuereinrichtung gekoppelt und in Abhängigkeit entsprechender Steuersignale zu steuern ist.
  • Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine wird dadurch ermöglicht, dass im Ansaugtrakt stromab des Verdichterrads des Abgasturboladers ein Ladeluftkühler angeordnet ist.
  • Eine Erhöhung der Variabilität des Abgasturboladers ist dadurch gegeben, dass der erste Spiralkanal und der zweite Spiralkanal asymmetrisch ausgebildet sind. Dies erlaubt auch in Kombination mit dem Abgasrückführungssystem eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads des Abgasturboladers bzw. der Brennkraftmaschine in einem größeren Betriebsbereich.
  • Eine weitere Verbesserung des Betriebsbereichs ist dadurch gegeben, dass der zweite Spiralkanal auf einen Nennpunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt ist, so dass eine Vollbeaufschlagung des Turbinenrads – beispielsweise in einem oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine – ermöglicht ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto- und/oder Dieselmotors, für ein Kraftfahrzeug, mit:
    • – einem Abgasturbolader, welcher als Laufzeug ein in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnetes Verdichterrad und ein drehfest mit dem Verdichterrad gekoppeltes Turbinenrad in einem wenigstens zweiflutig ausgebildeten Abgastrakt der Brennkraftmaschine umfasst, wobei ein Abgasführungsabschnitt eines Gehäuses des Abgasturboladers zumindest einen ersten, mit einer ersten Abgasflut des Abgastrakts gekoppelten Spiralkanal und einen zweiten, mit einer zweiten Abgasflut des Abgastrakts gekoppelten Spiralkanal aufweist, welche unabhängig voneinander von Abgas durchströmt werden;
    • – einer stromauf des Abgasführungsabschnitts angeordneten Abblasevorrichtung, mittels welcher der Abgasführungsabschnitt zu überbrücken ist;
    • – einem ersten Leitgitterelement, welches stromauf des Turbinenrads und stromab des ersten Spiralkanals im Abgasführungsabschnitt angeordnet ist;
    • – einem zweiten Leitgitterelement, welches stromauf des Turbinenrads und stromab des zweiten Spiralkanals im Abgasführungsabschnitt angeordnet ist,
    bei welchem das erste und das zweite Leitgitterelement einem ersten Asymmetriegrad entsprechend ausgebildet werden, wobei der erste Asymmetriegrad als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters bestimmt wird und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist. Dies ermöglicht eine Wirkungsgradverbesserung in einem größeren Betriebsbereich des Abgasturboladers, da aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung bzw. Einstellbarkeit der Leitgitterelemente eine Konditionierung der Abgasströmung vom zweiten Spiralkanal auf das Turbinenrad ermöglicht ist. Zudem ist eine besonders variable Anpassbarkeit des effektiven Strömungsquerschnitts der Spiralkanäle gegeben, wodurch eine optimale Anpassbarkeit der Leistungsabgabe des Abgasturboladers an die jeweils vorherrschenden Betriebsparameter der Brennkraftmaschine ermöglicht ist. Der jeweils optimale Asymmetriegrad kann durch den Fachmann beispielsweise in Abhängigkeit von Abgasrückführungsraten und einem Hubvolumen der Brennkraftmaschine bestimmt werden.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass das erste und das zweite Leitgitterelement einem zweiten Asymmetriegrad entsprechend ausgebildet werden, welcher als Quotient des ersten kritischen Durchsatzparameters und eines dritten kritischen Durchsatzparameters bestimmt wird und Werte zwischen 0,25 und 0,5 aufweist. Ein derartiger zweiter Asymmetriegrad erlaubt insbesondere in oberen Motordrehzahlbereichen eine vorteilhafte Strömungsflächenanpassung bzw. Flächenvergrößerung zwischen den beiden Spiralkanälen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Leitgitterelement in einem unteren und/oder mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine bei einer Teillast- und/oder Vollastanforderung und/oder in einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine in die die Strömungsfläche des zweiten Spiralkanals zumindest weitgehend verschließende Stellung bewegt wird. Ein zumindest weitgehendes Bewegen des zweiten Leitgitterelements bei einer Teillast- und/oder Vollastanforderung in einem unteren bzw. mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine in die die Strömungsfläche des zweiten Spiralkanals verschließende Stellung bietet dabei den Vorteil, dass das Kraftstoff-Luft-Verhältnis von der Luftseite her für eine vorteilhafte Verbrennung signifikant beeinflusst wird. Der hierdurch entstehende Auftaudruck kann neben einer Erhöhung der Anstömgeschwindigkeit des Turbinenrads zudem zur Leistungssteigerung des Abgasturboladers über eine Drallerhöhung des Abgasstroms verwendet werden, so dass das Verdichterrad eine erhöhte Luftmenge bereitstellen kann. Umgekehrt erlaubt ein zumindest weitgehendes Bewegen des zweiten Leitgitterelements in die die Strömungsfläche des zweiten Spiralkanals zumindest weitgehend verschließende Stellung während einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine, dass aufgrund des erhöhten Gegendrucks eine erhebliche Steigerung der Bremsleistung der Brennkraftmaschine gegeben ist.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem das zweite Leitgitterelement in einem oberen Drehzahlbereich in die die Strömungsfläche des zweiten Spiralkanals zumindest weitgehend freigebende Stellung bewegt wird. In dieser Stellung wird der hierdurch reduzierte Eintrittsdrall des Abgasstroms im Wesentlichen durch die Geometrie des Abgasführungsabschnitts bzw. des zweiten Spiralkanals bestimmt, welche vorteilhafterweise auf den Nennpunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt wird.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, indem in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine mittels der Abblasevorrichtung zumindest ein Teil des Abgases aus der ersten Abgasflut und/oder aus der zweiten Abgasflut abgeblasen und/oder umgeblasen wird. Auf diese Weise kann eine Überbeanspruchung der Brennkraftmaschine bzw. des Abgasturboladers sowohl während einer Motorbremsphase als auch während einer Befeuerungsphase ausgeschlossen werden. Weiterhin ist eine Feintrimmung des ersten bzw. zweiten Asymmetriegrads ermöglicht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische und teilgeschnittene Darstellung eines Abgasführungsabschnitts des in 1 gezeigten Abgasturboladers, wobei ein zweites Leitgitterelement in eine Strömungsfläche eines zweiten Spiralkanals zumindest weitgehend verschließende Stellung bewegt ist;
  • 3 eine schematische und teilgeschnittene Darstellung des in 2 gezeigten Abgasführungsabschnitts, wobei das zweite Leitgitterelement in eine die Strömungsfläche des zweiten Spiralkanals zumindest weitgehend freigebende Stellung bewegt ist;
  • 4 ein schematisches Diagramm verschiedener Durchsatzparameter des Abgasturboladers in Abhängigkeit unterschiedlicher Druckverhältnisse im Abgasführungsabschnitt; und
  • 5 eine Prinzipdarstellung eines Motorkennfeldes für die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine 10, welche als Diesel- oder Ottomotor mit vorliegend sechs Zylindern 11a–f ausgeführt ist. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Abgasturbolader 12, welcher als Laufzeug 14 ein in einem Ansaugtrakt 16 der Brennkraftmaschine 10 angeordnetes Verdichterrad 18 und ein über eine gelagerte Welle 20 drehfest mit dem Verdichterrad 18 gekoppeltes Turbinenrad 22 in einem wenigstens zweiflutig ausgebildeten Abgastrakt 24 der Brennkraftmaschine 10 umfasst. Ein Abgasführungsabschnitt 26 eines Gehäuses 28 (s. 2, 3) des Abgasturboladers 12 weist zumindest einen ersten, mit einer ersten Abgasflut 24a des Abgastrakts 24 gekoppelten Spiralkanal 30a und einen zweiten, mit einer zweiten Abgasflut 24b des Abgastrakts 24 gekoppelten Spiralkanal 30b auf, welche unabhängig voneinander von Abgas durchströmbar sind. Die erste Abgasflut 24a ist dabei mit einem ersten Abgaskrümmer 13a, die zweite Abgasflut 24b mit einem zweiten Abgaskrümmer 13b gekoppelt. Stromauf des Abgasführungsabschnitts 26 ist eine Abblasevorrichtung 32 angeordnet, welche mit der ersten und der zweiten Abgasflut 24a, 24b gekoppelt ist und stromab des Turbinenrads 22 und stromauf eines Abgasnachbehandlungssystems 34 wieder in den Abgastrakt 24 mündet. Die Abblasevorrichtung 32 ist dabei im vorliegenden Beispiel als Drehschieber ausgebildet und ausgelegt, den Abgasführungsabschnitt 26 zu überbrücken und Abgas zwischen der ersten und der zweiten Abgasflut 24a, 24b umzublasen. Die Abblasevorrichtung 32 kann hierzu gemäß Pfeil Ib bewegt werden. Die genaue Funktionsweise wird im Folgenden näher erläutert werden. Der Ansaugtrakt 16 umfasst seinerseits einen Luftfilter 36 sowie einen stromab des Verdichterrads 18 angeordneten Ladeluftkühler 38. Stromab des Ladeluftkühlers mündet ein Abgasrückführungssystem 40, mittels welchem Abgas aus der ersten Abgasflut 24a in den Ansaugtrakt 16 zu leiten ist. Das Abgasrückführungssystem 40 umfasst seinerseits ein steuerbares Abgasrückführungsventil 40a sowie einen Abgaskühler 40b, mittels welchem die Abgastemperatur auf etwa 100°C gekühlt werden kann. Die zweite Abgasflut 24b ist demgegenüber nicht mit dem Abgasrückführungssystem 40 gekoppelt.
  • Im Abgasführungsabschnitt 26 des Abgasturboladers 12 ist stromauf des Turbinenrads 22 und stromab des ersten Spiralkanals 30a ein erstes Leitgitterelement 42a angeordnet. Weiterhin ist stromauf des Turbinenrads 22 und stromab des zweiten Spiralkanals 30b ein zweites Leitgitterelement 42b angeordnet. Beide Leitgitterelemente 42a, 42b können beispielsweise als mit Leitschaufeln versehene Leitgitterringe ausgebildet sein. Das erste und das zweite Leitgitterelement 42a, 42b sind dabei einem ersten Asymmetriegrad A1 entsprechend ausbildbar, welcher als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters Θ42a und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters Θ42b der beiden Leitgitterelemente 42a, 42b anhand der Formel A1 = Θ42a/Θ42b bestimmt wird und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist. Hierzu ist das erste Leitgitterelement 42a unbewegbar und mit geringstmöglichen Leckagen gegenüber dem Querschnitt des ersten Spiralkanals 30a angeordnet, wohingegen das zweite Leitgitterelement 42b zum Einstellen einer Strömungsfläche 48 (s. 2) und damit des ersten Asymmetriegrads A1 gemäß Pfeil Ia translatorisch bewegbar im Abgasführungsabschnitt 26 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das erste Leitgitterelement 42a ebenfalls bewegbar angeordnet ist. Das zweite Leitgitterelement 42b ist mit einer Motorsteuereinrichtung 44 der Brennkraftmaschine 10 gekoppelt und kann in Abhängigkeit von Steuersignalen S bewegt werden. Die Motorsteuereinrichtung 44 regelt und steuert neben zahlreichen weiteren Funktionen – wie beispielsweise der Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine 10 – auch das Abgasrückführungsventil 40a sowie die Abblasevorrichtung 32. Das erste Leitgitterelement 42a verursacht einen Aufstaudruck p31, durch welchen Abgas über die erste Abgasflut 24a und das Abgasrückführungssystem 40 in den Ansaugtrakt 16 mit dem niedrigeren Ladedruck p2S transportiert werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische und teilgeschnittene Darstellung des Abgasführungsabschnitts 26 des in 1 gezeigten Abgasturboladers 12, wobei das zweite Leitgitterelement 42b in eine die Strömungsfläche 48 des zweiten Spiralkanals 30b zumindest weitgehend verschließende Stellung bewegt ist. Dabei wird eine Stirnseite des zweiten Leitgitterelements 42b mittels eines nicht gezeigten Aktuators fest auf eine Deckscheibe 46 gepresst, um stirnseitige Leckagen zu vermeiden. Die gezeigte Stellung des zweiten Leitgitterelements 42b wird dabei vorteilhafterweise während einer Befeuerungsphase in einem unteren bzw. mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 10 bei einer Teillast- und/oder Vollastanforderung oder in einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine 10 gewählt. Die Befeuerungsphase ist hierbei durch hohe Abgasrückführungsraten und einen ausreichenden Luftwert charakterisiert, wodurch sich beispielsweise bei als Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen 10 äußerst geringe Partikelwerte unterhalb der Grenzwerte einstellen und Kraftstoffeinspritzpunkte – ggf. in Abhängigkeit wachsender Abgasrückführungsraten – zu früheren Zeitpunkten verschoben werden können, um einen möglichst verbrauchsgünstigen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 sicherzustellen. Der durch das zumindest weitgehend Verschließen der Strömungsfläche 48 verursachte Aufstaudruck P32 (s. 1) kann zur Leistungssteigerung des Abgasturboladers 12 über die damit verbundene Drallerhöhung des Abgasstroms verwendet werden, wodurch das Verdichterrad 18 in die Lage versetzt wird, eine erhöhte Luftlieferung zu bewerkstelligen. Durch das Einschieben des zweiten Leitgitterelements 42b ergibt sich dabei der erste Asymmetriegrad A1.
  • 3 zeigt eine schematische und teilgeschnittene Darstellung des in 2 dargestellten Abgasführungsabschnitts 26, wobei das zweite Leitgitterelement 42b gemäß Pfeil Ia in eine die Strömungsfläche 48 des zweiten Spiralkanals 30b freigebende Stellung bewegt ist. Diese Stellung ist insbesondere in einem hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 10 vorteilhaft. Durch die Flächenvergrößerung wird der reduzierte Eintrittsdrall des Abgasstroms alleine durch die Geometrie des zweiten Spiralkanals 30b bestimmt, welche üblicherweise auf einen Nennpunkt der Brennkraftmaschine 10 ausgelegt ist. Der Asymmetriegrad A wird in seiner Wertigkeit auf den kleineren zweiten Asymmetriegrad A2 gesenkt, welcher nunmehr über die kritischen Durchsatzparameter Θ42a des ersten Leitgitterelements 42a und den kritischen Durchsatzparameter Θ30b des zweiten Spiralkanals 30b gemäß der Formel A2 = Θ42a/Θ30b bestimmt. Dabei ist zu betonen, dass das zweite Leitgitterelement 42b grundsätzlich jede beliebige Zwischenstellung einnehmen kann. Zum Feintrimmen der beiden Asymmetriegrade A1 und A2 kann die Abblasevorrichtung 32 verwendet werden, welche ein Abblasen von Abgas aus jeder der beiden Abgasfluten 24a, 24b erlaubt. Der resultierende erste bzw. zweite Asymmetriegrad A1+AB bzw. A2+AB stellen sich dann gemäß dem jeweils eingestellten Abblasequerschnitt AB24a, AB24b wie folgt ein: A1+AB = Θ42a+AB24a/Θ42b+AB24b; und A2+AB = Θ42a+AB24a/Θ30b+AB24b.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abblasequerschnitte AB24a und AB24b gleich oder unterschiedlich eingestellt werden. Die vorteilhaftesten Auslegungsbereiche der jeweiligen Asymmetriegrade A1 bzw. A1+AB oder A2 bzw. A2+AB werden in Abhängigkeit der Abgasrückführungsraten und des Hubvolumens der Brennkraftmaschine 10 in folgenden Bereichen gewählt: 0,4 < A1(+AB) < 0,8; und 0,25 < A2(+AB) < 0,50.
  • 4 zeigt ein schematisches Diagramm verschiedener Durchsatzparameter Θ des Abgasturboladers 12 in Abhängigkeit unterschiedlicher Druckverhältnisse π im Abgasführungsabschnitt 26. Ab einem kritischen Druckverhältnis π, das von der jeweils betrachteten Abgasflut 24a, 24b sowie vom jeweils betrachteten Leitgitterelement 42a, 42b abhängt, stellen sich jeweilige kritische Durchsatzparameter Θ ein, welche auch bei weiter ansteigendem Druck unverändert bleiben, da sich in den zugeordneten Spiralkanälen 30a bzw. 30b des Abgasführungsabschnitts 26 die Schallgeschwindigkeit eingestellt hat. Die unterschiedlichen Durchsatzparameter Θ werden jeweils bei Vollbeaufschlagung der Abgasfluten 42a, 42b mit und ohne Ansteuerung der Abblasevorrichtung 32 ermittelt. Wird beispielsweise der zweite Spiralkanal 30b versperrt und der erste Spiralkanal 30a offen gehalten, ergeben sich die Durchsatzparameter Θ42a bzw. Θ42a+AB24a. Wird der erste Spiralkanal 30a versperrt, der zweite Spiralkanal 30b offen gehalten und das zweite Leitgitterelement 42b in die die Strömungsfläche 48 zumindest weitgehend verschließende Stellung bewegt, ergeben sich die Durchsatzparameter Θ42b bzw. Θ42b+AB24b. Wird schließlich der erste Spiralkanal 30a versperrt, der zweite Spiralkanal 30b offen gehalten und das zweite Leitgitterelement 42b in die die Strömungsfläche 48 freigebende Stellung bewegt, ergeben sich die Durchsatzparameter Θ30b bzw. Θ30ba+AB24b.
  • 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Motorkennfeldes für die in 1 gezeigte Brennkraftmaschine 10, wobei auf der Ordinate das Motordrehmoment Md und auf der Abszisse die Motordrehzahl n aufgetragen sind. Weiterhin ist die Variabilität des Asymmetriegrades A in den betreffenden Bereichen kenntlich gemacht. Im Bereich A1 befindet sich das zweite Leitgitterelement 42b in der die Strömungsfläche 48 zumindest weitgehend verschließenden Stellung. Im Bereich A2 ist das zweite Leitgitterelement 42b in die die Strömungsfläche 48 freigebende Stellung bewegt. Da auch in befeuerten Betriebsphasen der Brennkraftmaschine 10 ein Abblasen von Abgas mittels der Abblasevorrichtung 32 zur Emissions- und Verbrauchsoptimierung sinnvoll sein kann, ergeben sich die entsprechenden Bereiche A1+AB sowie A2+AB, der in einem oberen Drehzahlbereich lokalisiert ist. Neben der zweiflutigen Abblasung, die über die Querschnittsauslegung der Abblasequerschnitte der Abblasevorrichtung 32 auch asymmetrische Abblasedurchsatzparameter erzeugen kann, sind auch die Umblasemöglichkeiten zwischen der ersten und der zweiten Abgasflut 24a, 24b realisierbar.

Claims (18)

  1. Brennkraftmaschine (10), insbesondere Otto- und/oder Dieselmotor, für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader (12), welcher als Laufzeug (14) ein in einem Ansaugtrakt (16) der Brennkraftmaschine (10) angeordnetes Verdichterrad (18) und ein drehfest mit dem Verdichterrad (18) gekoppeltes Turbinenrad (22) in einem wenigstens zweiflutig ausgebildeten Abgastrakt (24) der Brennkraftmaschine (10) umfasst, wobei ein Abgasführungsabschnitt (26) eines Gehäuses (28) des Abgasturboladers (12) zumindest einen ersten, mit einer ersten Abgasflut (24a) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30a) und einen zweiten, mit einer zweiten Abgasflut (24b) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30b) aufweist, welche unabhängig voneinander von Abgas durchströmbar sind, wobei stromauf des Abgasführungsabschnitts (26) eine Abblasevorrichtung (32) angeordnet ist, mittels welcher der Abgasführungsabschnitt (26) zu überbrücken ist, und wobei im Abgasführungsabschnitt (26) ein erstes Leitgitterelement (42a) stromauf des Turbinenrads (22) und stromab des ersten Spiralkanals (30a) sowie ein zweites Leitgitterelement (42b) stromauf des Turbinenrads (22) und stromab des zweiten Spiralkanals (30b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Leitgitterelement (42a, 42b) einem ersten Asymmetriegrad (A1) entsprechend ausbildbar sind, welcher als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters (Θ42a) und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters (Θ42b) bestimmbar ist und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist.
  2. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Leitgitterelement (42a, 42b) einem zweiten Asymmetriegrad (A2) entsprechend ausbildbar sind, welcher als Quotient des ersten kritischen Durchsatzparameters (Θ42a) und eines dritten kritischen Durchsatzparameters (Θ30b) bestimmbar ist und Werte zwischen 0,25 und 0,5 aufweist.
  3. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitgitterelement (42a) und/oder das zweite Leitgitterelement (42b) zum Einstellen einer Strömungsfläche (48) insbesondere translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar im Abgasführungsabschnitt (26) angeordnet ist bzw. sind.
  4. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitgitterelement (42a) und/oder das zweite Leitgitterelement (42b) mit einer Motorsteuereinrichtung (44) der Brennkraftmaschine (10) gekoppelt und in Abhängigkeit von Steuersignalen (S) auszubilden, insbesondere zu bewegen sind.
  5. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasevorrichtung (32) ausgelegt ist, Abgas zwischen der ersten Abgasflut (24a) und der zweiten Abgasflut (24b) umzublasen.
  6. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasevorrichtung (32) zum Empfangen von Steuersignalen (S) mit der Motorsteuereinrichtung (44) der Brennkraftmaschine (10) gekoppelt und in Abhängigkeit der Steuersignale (S) zu schalten ist.
  7. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgastrakt (24) insbesondere stromab der Abblasevorrichtung (32) ein Abgasnachbehandlungssystem (34), insbesondere ein Rußfilter und/oder ein Katalysator und/oder eine SCR-Anlage, angeordnet ist.
  8. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Abblasevorrichtung (32) ein Abgasrückführungssystem (40) angeordnet ist, mittels welchem Abgas aus dem Abgastrakt (24) in den Ansaugtrakt (16) zu leiten ist.
  9. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführungssystem (40) mit der ersten und/oder mit der zweiten Abgasflut (24a, 24b) gekoppelt ist.
  10. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Ansaugtrakt (16) stromab des Verdichterrads (18) ein Ladeluftkühler (38) angeordnet ist.
  11. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiralkanal (30a) und der zweite Spiralkanal (30b) asymmetrisch ausgebildet sind.
  12. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Spiralkanal (30b) auf einen Nennpunkt der Brennkraftmaschine (10) ausgelegt ist.
  13. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine (10) insbesondere eines Otto- und/oder Dieselmotors, für ein Kraftfahrzeug, mit: – einem Abgasturbolader (12), welcher als Laufzeug (14) ein in einem Ansaugtrakt (16) der Brennkraftmaschine (10) angeordnetes Verdichterrad (18) und ein drehfest mit dem Verdichterrad (18) gekoppeltes Turbinenrad (22) in einem wenigstens zweiflutig ausgebildeten Abgastrakt (24) der Brennkraftmaschine (10) umfasst, wobei ein Abgasführungsabschnitt (26) eines Gehäuses (28) des Abgasturboladers (12) zumindest einen ersten, mit einer ersten Abgasflut (24a) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30a) und einen zweiten, mit einer zweiten Abgasflut (24b) des Abgastrakts (24) gekoppelten Spiralkanal (30b) aufweist, welche unabhängig voneinander von Abgas durchströmt werden; – einer stromauf des Abgasführungsabschnitts (26) angeordneten Abblasevorrichtung (32), mittels welcher der Abgasführungsabschnitt (26) zu überbrücken ist; – einem ersten Leitgitterelement (42a), welches stromauf des Turbinenrads (22) und stromab des ersten Spiralkanals (30a) im Abgasführungsabschnitt (26) angeordnet ist; – einem zweiten Leitgitterelement (42b), welches stromauf des Turbinenrads (22) und stromab des zweiten Spiralkanals (30b) im Abgasführungsabschnitt (26) angeordnet ist, bei welchem das erste und das zweite Leitgitterelement (42a, 42b) einem ersten Asymmetriegrad (A1) entsprechend ausgebildet werden, wobei der erste Asymmetriegrad (A1) als Quotient eines ersten kritischen Durchsatzparameters (Θ42a) und eines zweiten kritischen Durchsatzparameters (Θ42b) bestimmt wird und Werte zwischen 0,4 und 0,8 aufweist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Leitgitterelement (42a, 42b) einem zweiten Asymmetriegrad (A2) entsprechend ausgebildet werden, welcher als Quotient des ersten kritischen Durchsatzparameters (Θ42a) und eines dritten kritischen Durchsatzparameters (Θ30b) bestimmt wird und Werte zwischen 0,25 und 0,5 aufweist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitgitterelement (30b) in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10) zwischen einer die Strömungsfläche (48) des zweiten Spiralkanals (30b) zumindest weitgehend freigebenden und einer die Strömungsfläche (48) des zweiten Spiralkanal (30b) zumindest weitgehend verschließenden Stellung bewegt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitgitterelement (42b) in einem unteren und/oder mittleren Drehzahlbereich (n) der Brennkraftmaschine (10) bei einer Teillast- und/oder Vollastanforderung und/oder in einer Motorbremsphase der Brennkraftmaschine (10) in die die Strömungsfläche (48) des zweiten Spiralkanals (30b) zumindest weitgehend verschließende Stellung bewegt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitgitterelement (42b) in einem oberen Drehzahlbereich (n) in die die Strömungsfläche (48) des zweiten Spiralkanals (30b) zumindest weitgehend freigebende Stellung bewegt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine (10) mittels der Abblasevorrichtung (32) zumindest ein Teil des Abgases aus der ersten Abgasflut (24a) und/oder aus der zweiten Abgasflut (24b) abgeblasen und/oder zwischen der ersten und der zweiten Abgasflut (24a, 24b) umgeblasen wird.
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