DE102007062366A1

DE102007062366A1 - Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung

Info

Publication number: DE102007062366A1
Application number: DE102007062366A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr. Pott; Stephan Dr. Flor; Bernd Hahne
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Frischlufttrakt (12) zum Zuführen von Frischluft an Arbeitszylinder (10) der Brennkraftmaschine, wobei in dem Frischlufttrakt (12) eine erste Aufladestufe mit einem ersten Aufladeaggregat (16), stromab der ersten Aufladestufe eine zweite Aufladestufe mit einem zweiten Aufladeaggregat (18) und ein Bypasskanal (46), welcher zwischen der ersten und zweiten Aufladestufe von einem Frischluftkanal (44) abzweigt und stromab der zweiten Aufladestufe wieder in den Frischluftkanal (44) einmündet, zum wahlweise Überbrücken der zweiten Aufladestufe angeordnet ist, wobei stromab der ersten Aufladestufe (16) ein erster Ladeluftkühler (56) und stromab der zweiten Aufladestufe (18) ein zweiter Ladeluftkühler (40) angeordnet ist. Hierbei ist der erste Ladeluftkühler (56) in dem Bypasskanal (46) stromab der Abzweigung des Bypasskanals (46) von dem Frischluftkanal (44) und der zweite Ladeluftkühler (40) in dem Frischlufttrakt (44) stromab der Einmündung des Bypasskanals (46) in den Frischluftkanal (44) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Frischlufttrakt zum Zuführen von Frischluft an Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine, wobei in dem Frischlufttrakt eine erste Aufladestufe mit einem ersten Aufladeaggregat, stromab der ersten Aufladestufe eine zweite Aufladestufe mit einem zweiten Aufladeaggregat und ein Bypasskanal, welcher zwischen der ersten und zweiten Aufladestufe von einem Frischluftkanal abzweigt und stromab der zweiten Aufladestufe wieder in den Frischluftkanal einmündet, zum wahlweise Überbrücken der zweiten Aufladestufe angeordnet ist, wobei stromab der ersten Aufladestufe ein erster Ladeluftkühler und stromab der zweiten Aufladestufe ein zweiter Ladeluftkühler angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Stand der Technik sind zweistufige Aufladesysteme mit einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Niederdruck-ATL bekannt. Auf der Luftseite folgt dem Niederdruckverdichter ein nachgeschalteter Hochdruckverdichter, der mittels eines Bypasskanals umgangen werden kann.
Aus der US 6 279 550 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit zweistufiger Aufladung bekannt, wobei zwischen der ersten Stufe der Aufladung und der zweiten Stufe der Aufladung ein erster Ladeluftkühler und nach der zweiten Stufe der Aufladung weitere Ladeluftkühler angeordnet sind. Es ist ein Bypasskanal vorgesehen, welcher die Ladeluft aus der ersten Stufe der Aufladung an der zweiten Stufe der Aufladung und den weiteren Ladeluftkühlern vorbei leitet. Je nach Stellung der verschiedenen Absperrventile im Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine ist der erste Ladeluftkühler in dem Bypasskanal angeordnet und wird dementsprechend durchströmt, wenn die zweite Stufe der Aufladung sowie die weiteren Ladeluftkühler über den Bypasskanal überbrückt werden. Durch die große Anzahl der Ventile und Verbindungsleitungen sowie die aufwändige Verrohrung im Frischlufttrakt der Brennkraftmaschine wird ein erhöhtes Maß an Bauraum benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der o. g. Art hinsichtlich des Aufbaus des Frischlufttraktes der Brennkraftmaschine derart zu verbessern, dass unter bauraumgünstigen Bedingungen ein der Fahrdynamik zugute kommendes, spontanes Ansprechverhalten ohne abgasseitige Emissionsnachteile erzielt wird.
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.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste Ladeluftkühler in dem Bypasskanal stromab der Abzweigung des Bypasskanals von dem Frischluftkanal und der zweite Ladeluftkühler in dem Frischlufttrakt stromab der Einmündung des Bypasskanals in den Frischluftkanal angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass mit geringem Aufwand eine große Variabilität der Führung der Frischluft erzielt werden kann. Gleichzeitig kann wegen der zusätzlichen Kühlleistung des zweiten Ladeluftkühlers der erste Ladeluftkühler klein dimensioniert sein, was einen entsprechend geringen Bauraumbedarf bedingt und dadurch Packagevorteile erzielt. Insgesamt führt dies zu einem geringen Volumen zwischen der zweistufigen Aufladung und den Arbeitszylindern der Brennkraftmaschine, wodurch bei einer Lastanforderung ein schnelles, spntanes Ansprechen der Aufladung erzielt wird.
Das erste Aufladeaggregat ist beispielsweise ein Kompressor oder ein Abgasturbolader und das zweite Aufladeaggregat ist beispielsweise ein Kompressor oder ein Abgasturbolader.
Zweckmäßigerweise ist der erste und/oder zweite Ladeluftkühler wassergekühlt oder luftgekühlt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Ladeluftkühler derart angeordnet und ausgebildet sowie der Frischlufttrakt derart ausgebildet, dass ein Volumen des Frischlufttraktes zwischen einem Austritt des zweiten Aufladeaggregates und Einlassventilen der Brennkraftmaschine kleiner oder gleich dem 3-fachen, 2-fachen, 1,5-fachen, 1-fachen, 0,8-fachen, 0,5-fachen oder 0,3-fachen des Hubraumes der Brennkraftmaschine ist.
Eine vergleichsweise kleine Bauform des zweiten Ladeluftkühlers erzielt man dadurch, dass der zweite Ladeluftkühler eine Kühlleistung von 0,004 kW bis 0,045 kW, insbesondere 0,006 kW bis 0,02 kW, insbesondere 0,008 kW bis 0,01 kW, pro kW Motornennleistung bei 90 kg/h Luftmassenstrom und 80°C Eintrittstemperatur aufweist.
Eine besonders Platz sparende, kompakte Bauweise erzielt man dadurch, dass der zweite Ladeluftkühler in ein Saugrohr der Brennkraftmaschine integriert ist.
Zweckmäßigerweise weist der zweite Ladeluftkühler einen Wasserkühler und optional einen eigenen Niedertemperatur-Wasserkreislauf auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Frischlufttrakt derart ausgebildet, dass ein Volumen des Frischlufttraktes zwischen einem Austritt des ersten Aufladeaggregates und einem Eintritt des zweiten Aufladeaggregates kleiner oder gleich dem 0,8-fachen, 0,5-fachen, 0,3-fachen, 0,2-fachen, 0,1-fachen oder 0,05-fachen des Hubraumes der Brennkraftmaschine ist.
Bei einer spontanen Lastanforderung eilt die dann mehr eingespritzte Kraftstoffmenge der zur vollständigen Umsetzung erforderlichen Luftmenge voraus, wodurch sich ungünstiger Weise die NOx-Rohemissionen erhöhen. Hier greift die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft derart ein, dass das Volumen der Saugstrecke zwischen Austritt aus den Verdichterstufen und dem Eintritt in die Brennräume der Brennkraftmaschine minimiert ist, mithin eine maximal verringerte Nacheilzeit der an die erhöhte Kraftstoffeinspritzmenge angepassten Luftmenge vorliegt. Hierdurch haben sich bezüglich der NOx-Rohemissionen folgende Vorteile ergeben. Bei bevorzugter Anwendung der Erfindung bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, welche vorteilhafter Weise in Fahrzeugen, die im Neuen Europäischen Fahrzyklus betrieben werden, zum Einsatz kommt, stellen sich stromauf einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgasnachbehandlungsanlage NOx-Rohemissionen von höchstens 0,28; 0,235; 0,18; 0,125; 0,1; 0,08 g/km ein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die in der einzigen Fig. dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst Arbeitszylinder 10, einen Frischlufttrakt 12, einen Abgastrakt 14, einen ersten Abgasturbolader 16 einer ersten Aufladestufe (Niederdruckstufe) und einen zweiten Abgasturbolader 18 einer zweiten Aufladestufe (Hochdruckstufe). Der Abgastrakt 14 umfasst einen Abgaskrümmer 20 zum Sammeln von aus den Arbeitszylindern 10 abgegebenem Abgas, und einen Abgaskanal 22. In dem Abgaskanal 22 ist eine zweite Turbine 24 des zweiten Abgasturboladers 18 und eine erste Turbine 26 des ersten Abgasturboladers 16 angeordnet. Ein erster Abgasbypasskanal 28 überbrückt wahlweise die erste Turbine 26 des ersten Abgasturboladers 16, wobei in dem ersten Abgasbypasskanal 28 ein Wastegate 30 angeordnet ist, welches aktiv pneumatisch angesteuert ist und den ersten Abgasbypasskanal 28 wahlweise öffnet oder schließt. In dem Abgaskanal 22 ist weiterhin ein zweiter Abgasbypasskanal 32 ausgebildet, welcher die zweite Turbine 24 des zweiten Abgasturboladers 18 überbrückt. In dem zweiten Abgasbypasskanal 32 ist eine Abgasklappe 34 angeordnet, welche pneumatisch betätigt und mit einer Lagerückmeldung ausgebildet ist, wobei diese Abgasklappe 34 den zweiten Abgasbypasskanal 32 wahlweise öffnet oder schließt.
Der Frischlufttrakt 12 umfasst einen Frischluftkanal 44, in dem in Strömungsrichtung gesehen folgendes angeordnet ist: Ein erster Verdichter 36 des ersten Abgasturboladers 16, ein zweiter Verdichter 38 des zweiten Abgasturboladers 18, ein zweiter Ladeluftkühler 40 und ein Saugrohr 42, welches in die Arbeitszylinder 10 über Einlassventile (nicht dargestellt) mündet. Weiterhin weist der Frischlufttrakt 12 einen Bypasskanal 46 auf, welcher den zweiten Verdichter 38 des zweiten Abgasturboladers 18 überbrückt. Der Bypasskanal 46 zweigt stromab eines Austritts 48 des ersten Verdichters 36 des ersten Abgasturboladers 16 und stromauf eines Eintritts 50 des zweiten Verdichters 38 des zweiten Abgasturboladers 18 von dem Frischluftkanal 44 ab und mündet stromab eines Austritts 52 des zweiten Verdichters 38 des zweiten Abgasturboladers 18 und stromauf des zweiten Ladeluftkühlers 40 wieder in den Frischluftkanal 44 ein. In dem Bypasskanal 46 ist ein Bypassventil 54 angeordnet. Dieses Bypassventil 54 ist passiv mechanisch oder aktiv mehrstufig oder stufenlos ansteuerbar. Beispielsweise ist das Bypassventil 54 als Drossel ausgebildet.
In dem Bypasskanal 46 ist ferner ein erster Ladeluftkühler 56 angeordnet. Der erste Ladeluftkühler 56 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass dieser nur von demjenigen Teil der Ladeluft von dem ersten Verdichter durchströmt wird, welcher über den Bypasskanal 46 strömt.
Das Volumen der Saugstrecke vom Austritt 52 aus dem Hochdruckverdichter 38 bis zu den Einlassventilen beträgt maximal das 2-fache, 1,5-fache, 1-fache, 0,8-fache, 0,5-fache oder 0,3-fache des Hubraums aller Arbeitszylinder 10 der Brennkraftmaschine. Der zweite Ladeluftkühler 40 ist wesentlich kleiner dimensioniert als im Stand der Technik üblich. Ein bekannter Ladeluftkühler stromauf des Saugrohres 42 weist typischerweise eine Kühlleistung von ca. 0,05 bis 0,2 kW pro kW Motornennleistung, insbesondere ca. 0,1 kW, pro kW Motorleistung bei 250 kg/h Luftmassenstrom und 150°C Eintrittstemperatur auf. Der erfindungsgemäß vorgesehene zweite Ladeluftkühler 40 weist eine Kühlleistung von 0,004 bis 0,045 kW pro kW Motornennleistung, insbesondere 0,006 bis 0,02 kW pro kW Motornennleistung, insbesondere 0,008 bis 0,01 kW pro kW Motornennleistung bei 90 kg/h Luftmassenstrom und 80°C Eintrittstemperatur auf.
Vorteilhafterweise ist der zweite Ladeluftkühler 40 als wassergekühlter Ladeluftkühler und in das Saugrohr 42 integriert ausgebildet. Zweckmäßigerweise ist der zweite Ladeluftkühler 40 mit einem eigenen Niedertemperatur-Wasserkreislauf verbunden. In diesem Falle beträgt das Volumen der Saugstrecke vom Austritt 52 aus dem Hochdruckverdichter 38 bis zu den Einlassventilen das maximal 3-fache, 2-fache, 1,5-fache, 1-fache, 0,8-fache oder 0,5-fache des Hubraums aller Arbeitszylinder 10 der Brennkraftmaschine.
Der erste Ladeluftkühler 56 ist als Wasser- oder Luft-Ladeluftkühler ausgebildet und entspricht in seiner Kühlleistung dem üblichen im Stand der Technik bekannten Ladeluftkühler, welcher als alleiniger Ladeluftkühler vorgesehen ist. In der Ausführungsform als Wasserladeluftkühler weist der erste Ladeluftkühler 56 entweder einen separaten Niedertemperatur-Wasserkreislauf oder einen mit dem zweiten Ladeluftkühler 40 und ggf. weiteren Kühlern (z. B. EGR-Kühler) gemeinsamen Niedertemperatur-Wasserkreislauf auf.
Erfindungsgemäß ist der erste Ladeluftkühler 56 im Bypasskanal 46 um den zweiten Hochdruckverdichter 38 vorgesehen. Bei dieser Anordnung kann zusätzlich eine extrem kompakte Anordnung der Verdichterstrecke zwischen Niederdruck- und Hochdruckstrecke erreicht werden, d. h. des Bereiches des Frischluftkanals 44 zwischen dem Austritt 48 des Niederdruckverdichters 48 und dem Eintritt 50 des Hochdruckverdichters 38. Das Volumen des Frischluftkanals 44 dieses Bereiches zwischen dem Austritt 48 des Niederdruckverdichters 48 und dem Eintritt 50 des Hochdruckverdichters 38 beträgt maximal das 0,8-fache, 0,5-fache, 0,3-fache, 0,2-fache, 0,1-fache oder 0,05-fache des Hubraums aller Arbeitszylinder 10 der Brennkraftmaschine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6279550 B1 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Frischlufttrakt (12) zum Zuführen von Frischluft an Arbeitszylinder (10) der Brennkraftmaschine, wobei in dem Frischlufttrakt (12) eine erste Aufladestufe mit einem ersten Aufladeaggregat (16), stromab der ersten Aufladestufe eine zweite Aufladestufe mit einem zweiten Aufladeaggregat (18) und ein Bypasskanal (46), welcher zwischen der ersten und zweiten Aufladestufe von einem Frischluftkanal (44) abzweigt und stromab der zweiten Aufladestufe wieder in den Frischluftkanal (44) einmündet, zum wahlweise Überbrücken der zweiten Aufladestufe angeordnet ist, wobei stromab der ersten Aufladestufe (16) ein erster Ladeluftkühler (56) und stromab der zweiten Aufladestufe (18) ein zweiter Ladeluftkühler (40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ladeluftkühler (56) in dem Bypasskanal (46) stromab der Abzweigung des Bypasskanals (46) von dem Frischluftkanal (44) und der zweite Ladeluftkühler (40) in dem Frischlufttrakt (44) stromab der Einmündung des Bypasskanals (46) in den Frischluftkanal (44) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Aufladeaggregat (16) ein Kompressor oder ein Abgasturbolader ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Aufladeaggregat (18) ein Kompressor oder ein Abgasturbolader ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Ladeluftkühler (56, 40) wassergekühlt oder luftgekühlt ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ladeluftkühler (40) derart angeordnet und ausgebildet ist sowie der Frischlufttrakt (12) derart ausgebildet ist, dass ein Volumen des Frischlufttraktes (12) zwischen einem Austritt (52) des zweiten Aufladeaggregates (18, 38) und Einlassventilen der Brennkraftmaschine kleiner oder gleich dem 3-fachen, 2-fachen, 1,5-fachen, 1-fachen, 0,8-fachen, 0,5-fachen oder 0,3-fachen des Hubraumes der Brennkraftmaschine ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ladeluftkühler (40) eine Kühlleistung von 0,004 kW bis 0,045 kW, insbesondere 0,006 kW bis 0,02 kW, insbesondere 0,008 kW bis 0,01 kW, pro kW Motornennleistung bei 90 kg/h Luftmassenstrom und 80°C Eintrittstemperatur aufweist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ladeluftkühler (40) in ein Saugrohr (42) der Brennkraftmaschine integriert ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ladeluftkühler (40) einen eigenen Niedertemperatur-Wasserkreislauf aufweist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischlufttrakt (12) derart ausgebildet ist, dass ein Volumen des Frischlufttraktes (12) zwischen einem Austritt (48) des ersten Aufladeaggregates (16, 36) und einem Eintritt (18, 50) des zweiten Aufladeaggregates kleiner oder gleich dem 0,8-fachen, 0,5-fachen, 0,3-fachen, 0,2-fachen, 0,1-fachen oder 0,05-fachen des Hubraumes der Brennkraftmaschine ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine selbstzündend ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, welche gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die NO_x-Emission stromauf einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Abgasnachbehandlung einen Wert von 0,28; 0,235; 0,18; 0,25; 0,1; 0,08 g/km nicht überschreiten.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug den Wert der NOx-Emission durch einen Betrieb im Neuen Europäischen Fahrzyklus erzielt.