-
Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch
eine Verbrennungskraftmaschine nach den Oberbegriffen der Patentansprüche
14 und 15. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.
-
Zur
Verbrauchs- und Emissionsreduktion wird bei Ottomotoren zunehmend
angestrebt, wie das bei Dieselmotoren üblich ist, die Luftdosierung weitgehend
entdrosselt und gegebenenfalls auch mit Nutzung einer Abgasrückführung
durchzuführen.
-
Bei
Ottomotoren, die man mit stöchiometrischem Luftverhältnis
betreibt, ist bei einem Wegfall der Drosselklappe eine aufwendige
und kostenintensive variable Ventilverstellung von Nöten.
in einem anderen Fall der Verbrennungsführung mit Luftüberschuss
sind aufwendige sensible Abstimmungen einer Ladungsschichtung im
Teillastgebiet des Motors erforderlich mit kostenintensiven Abgasnachbehandlungssystemen.
-
Insbesondere
bei aufgeladenen Ottomotoren ergeben sich für das Fahrverhalten
sehr ungünstige Ausgangsbedingungen für einen
konventionellen Abgasturbolader. Drehzahlschwankungen des Abgasturboladers
nehmen in ihrer Spreizung (Leerlauf-Volllast) sehr hohe Werte an,
weshalb der Motor in seinem transienten Verhalten durch merkliche
Zeitverzögerungen des Ladedruckaufbaus beziehungsweise
des Momentenaufbaus stark beeinträchtigt wird.
-
Zur
Reduzierung der genannten Probleme existieren Lösungsvorschläge
bezüglich der Ausgestaltung eines Abgasturboladers.
-
Ein
derartiger Abgasturbolader, dessen Verdichter in einer Turbinenbetriebsweise
betreibbar ist, ist in der
DE
199 55 508 C1 offenbart. Dabei wird eine Verdichterseite
in einem Teillastgebiet einer Verbrennungskraftmaschine, in der
ein derartiger Abgasturbolader verbaut ist, als Kaltluft-Turbine
benutzt. Besonders in Verbindung mit Ottomotorenanwendungen wird
ein derartiger Abgasturbolader genutzt.
-
Dadurch
wird ermöglicht, eine Drehzahl des Abgasturboladers auch
bei einem geringen Energieangebot auf einer heißen Abgasseite
des Abgasturboladers auf einem hohen Niveau zu halten.
-
In
diesem Zusammenhang wird in der
DE 10 2006 011 422 A1 ein derartiger Abgasturbolader
beschrieben, bei dem eine Luftseite mit einer Abgasseite des Abgasturboladers
rückgekoppelt ist.
-
Der
Nachteil der bereits bekannten Lösungen besteht darin,
dass sie das gesamte Potential der Reduzierung der beschriebenen
Probleme durch eine drehzahlstationäre Turboaufladung nur
unzureichend ausschöpfen.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften
der drehzahlstationären Turboaufladung in der Weise weiter
zu entwickeln, dass ein Drosselungsgrad zur Luftdosierung in einem Teillastgebiet
einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer variablen Turbinenvorrichtung
in einem Eintritt einer Mehrstrom-Maschine, insbesondere in Form
eines Abgasturboladers, auf einer Luftseite der Mehrstrom-Maschine
minimiert wird.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
der Patentansprüche 14 und 15 und durch ein Verfahren zum
Betreiben eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16
gelöst.
-
Einem
solchen Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine,
welcher eine abgasseitige Turbine in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine
und einen Verdichter in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine
aufweist, und welcher eine zweite Turbine aufweist, die mit dem
Verdichter und/oder der abgasseitigen Turbine des Abgasturboladers
drehverbunden ist, ist erfindungsgemäß eine von
der Verbrennungskraftmaschine verschiedene Brennkammer zugeordnet,
mittels welcher durch die zweite Turbine strömende Luft
erwärmbar und/oder mit Abgas beaufschlagbar ist.
-
Die
Brennkammer hat die Aufgaben, in einem Teillastgebiet der Verbrennungskraftmaschine eine
Eintrittstemperatur des Abgasturboladers, der eine Form einer Mehrstrom-Maschine
darstellt, anzuheben. Dadurch werden bei entsprechender Luft-Kraftstoffdosierung
auch in einem niedersten und unaufgeladenen Teillastgebiet der Verbrennungskraftmaschine
sehr hohe Abgasturbolader-Drehzahlen erreicht, da der Abgasturbolader
somit in einer Heiß-Gas-Turbinenbetriebsweise auf seiner
Luftseite betreibbar ist.
-
Dies
verbessert vor allem ein transientes Verhalten des Abgasturboladers,
wodurch eine Zeitverzögerung eines Ladedruckaufbaus beziehungsweise
eine Zeitverzögerung eines Momentenaufbaus der Verbrennungskraftmaschine
zumindest stark reduziert wird.
-
Durch
eine starke Erhitzung der durch die zweite Turbine strömenden
Luft in Folge von Verbrennungsvorgängen in der Brennkammer
sind die beschriebenen hohen Abgasturbolader-Drehzahlen und damit
eine starke Reduzierung eines „Turbolochs” erst
möglich.
-
Eine
weitere Aufgabe der Brennkammer besteht darin, eine Abstimmung einer
Soll-Abgasrückführrate zu unterstützen.
-
In
Folge einer Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer ist die
zweite Turbine des Abgasturboladers durchströmende und
damit die der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Frischluft
mit Verbrennungsprodukten beaufschlagbar, wodurch hohe Abgasrückführraten
(AGR-Raten) erreicht werden können. Dies unterstützt
eine Denoxierung, das heißt Entstickung, eines Abgases
der Verbrennungskraftmaschine und mindert die Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine
deutlich.
-
Hierzu
ist auch eine geregelte Wärmeabfuhr beziehungsweise Temperaturabsenkung
stromab des Abgasturboladers in einem Luft-AGR-Kühler vorgesehen.
-
Mit
einer dadurch erreichten geregelten Temperatureinstellung des beschriebenen
Gasgemisches und einer Zusammensetzungsrate von Luft und Abgas auf
der Luftseite des Abgasturboladers und damit der Verbrennungskraftmaschine
wird in Abhängigkeit einer Emissionsanforderung ein angestrebter
niedriger Enddrosselungsgrad eines luftseitigen Ansaugsystems der
Verbrennungskraftmaschine für einen Teillastbetriebspunkt
der Verbrennungskraftmaschine bestimmt.
-
Einer
Nutzung der Brennkammer kommt besonders in einer Kaltstartphase
der Verbrennungskraftmaschine weitere Bedeutung zu, um schnellstens
optimale Betriebstemperaturen der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen.
-
Da
sich bei einer kalten Verbrennungskraftmaschine im Allgemeinen sehr
hohe Verbrauchnachteile gegenüber einer betriebswarmen
Verbrennungskraftmaschine einstellen, wird trotz eines zusätzlichen
Kraftstoffaufwands zur schnellen Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine
und einer Peripherie in Form der Brennkammer in Summe sich doch
in betreffenden kritischen Kaltbetriebszyklen ein Verbrauchsvorteil
einstellen.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasturboladers
sind stromauf der zweiten Turbine des Abgasturboladers und/oder
an der zweiten Turbine und/oder am Verdichter und/oder an der abgasseitigen
Turbine des abgasseitigen Turboladers variable Einstellelemente
zur Einstellung von Strömungsparametern vorgesehen. Hierdurch
können Strömungsrandbedingungen für das
jeweilige Strömungsmedium in Abhängigkeit eines
Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft eingestellt
werden, wodurch die beschriebenen Vorteile weiter positiv beeinflusst
werden.
-
Zur
Regelung dieser variablen Elemente und/oder zur Regelung der Verbrennungsvorgänge in
der Brennkammer ist erfindungsgemäß eine Regelungseinrichtung
vorgesehen, die zeitnahe während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine
die nötigen Einstellungen regelt, die zur möglichst
optimalen Arbeitsweise der beschriebenen Komponenten führen.
-
Wie
angedeutet ist ebenso vorstellbar, dass nur an einer Turbine oder
nur am Verdichter variable Einstellelemente beziehungsweise ein
Einstellelement vorgesehen sind beziehungsweise ist.
-
Auch
ist die Verwendung eines ein- oder mehrflutigen sowie eines asymmetrischen
Turbinengehäuses bei einem erfindungsgemäßen
Abgasturbolader vorstellbar.
-
Die
erwähnte zweite Turbine des Abgasturboladers und der Verdichter
können in einer vorteilhaften Ausführungsform
als separate Bauteile ausgeführt sein. Dies erweist sich
beispielsweise als vorteilhaft bezüglich einer Montierbarkeit
dieser Bauteile.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
sind die zweite Turbine und der Verdichter des Abgasturboladers
als einteiliges Bauteil ausgebildet. Dies reduziert eine Teileanzahl
und eine Anzahl an Montageschritten, wodurch Kosten eingespart werden.
-
Darüber
hinaus erweist es sich ebenso als vorteilhaft, wenn der Verdichter
selbst als zweite Turbine betreibbar ist, was beispielsweise durch
eine bestimmte Führung der den Verdichter und damit die Turbine
durchströmenden Luft möglich ist. Diese Ausführungsform
spart Gewicht und Bauraum ein.
-
Nichtsdestoweniger
kann die zweite Turbine weiterhin der Luftseite des Abgasturboladers
und damit der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet
sein, und dennoch mit der abgasseitigen Turbine des Abgasturboladers
in Verbindung und/oder gar mit dieser als einteiliges Bauteil ausgebildet
sein.
-
In
jeglicher Hinsicht existiert bei dem erfindungsgemäßen
Abgasturbolader eine der Luftseite des Abgasturboladers und damit
der Luftseite der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete Turbine, die
von einer mittels der Brennkammer erwärmbaren und/oder
mit Abgas beaufschlagbaren Luft durchströmbar ist.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine Rückführung
von Abgas der Verbrennungskraftmaschine von stromauf der abgasseitigen Turbine
zu stromauf der zweiten Turbine, insbesondere zu einem Schaufeleintrittsbereich
der zweiten Turbine, vorgesehen ist. Durch diese „Hochdruck- nach
Niederdruck-AGR” sind höchste Abgasturbolader-Drehzahlen
bei niedersten Lasten der Verbrennungskraftmaschine erreichbar.
-
Des
Weiteren kann in einer alternativen Ausführungsform auch
eine Rückführung von Abgas der Verbrennungskraftmaschine
von stromab der abgasseitigen Turbine, und insbesondere stromab
einer Abgasnachbehandlungsanlage, zu stromauf der zweiten Turbine
vorgesehen sein. Ein sich hieraus ergebender Vorteil ist beispielsweise
eine niedrigere Temperatur des rückgeführten Abgases,
wodurch das rückgeführte Abgas zur Erreichung
eines gewünschten Temperaturniveaus weniger gekühlt
werden muss.
-
Liegt
eine zuvor beschriebene Niederdruck-AGR vor, also eine Rückführung
von Abgasen der Verbrennungskraftmaschine von stromab der abgasseitigen
Turbine zu stromauf der zweiten Turbine, so ist in einer weiteren
Ausführungsform die Rückführung des Abgases über
einen Einströmbehälter zu stromauf der zweiten
Turbine vorgesehen. Hierdurch wird eine bessere Durchmischung von
Frischluft und zurückgeführtem Abgas erreicht.
-
Bei
Verwendung des Einströmbehälters ist dabei die
Anordnung des selbigen stromauf oder stromab der Brennkammer und
stromauf der zweiten Turbine vorgesehen. Die Anordnung des Einströmbehälters
sollte vor einem Hintergrund einer guten Durchmischung der Frischluft
und des zurückgeführten Abgases geschehen.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist ein Elektromotor und/oder ein Elektrogenerator mit einem Rotor
verbunden, der die abgasseitige Turbine mit dem Verdichter des Abgasturboladers
verbindet. Dadurch wird der Abgasturbolader quasi zu einer Gastrubine, die
von der Frischluft gespeist und von der Verbrennungskraftmaschine
durch die Brennkammer gesaugt wird.
-
Hieraus
ergeben sich die Vorteile, dass der Abgasturbolader beispielsweise über
den Elektromotor zusätzlich angetrieben werden kann, beziehungsweise
dass mittels des Elektrogenerators, der von dem Rotor angetrieben
wird, zusätzliche elektrische Energie gewonnen werden kann,
die beispielsweise in das Bordnetz eines Kraftwagens, in den ein
erfindungsgemäßer Turbolader eingebaut ist, eingespeist werden
kann.
-
Diese
Vorteile können in besonders positiver Weise dadurch verknüpft
werden, wenn der Elektromotor und der Elektrogenerator als ein gemeinsames Aggregat
ausgebildet sind. Das heißt, dass ein Aggregat eingesetzt
wird, dass sowohl als Elektromotor als auch als Elektrogenerator
fungieren kann. Diese Ausführungsform reduziert den benötigten
Bauraum.
-
Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass aufgrund der hohen Abgasturbolader-Drehzahlen durch
den luftseitigen Heiß-Gas-Turbinenbetrieb schon nach einer
kurzen Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine ein sehr gutes
transientes Verhalten erreicht wird, besonders im Vergleich zu einem Aufladesystem
gemäß dem Stand der Technik, bei dem noch ein
hoher Trägheitseinfluss kalter Komponenten der Verbrennungskraftmaschine
spürbar ist.
-
Die
Optimierung des luftseitigen Heiß-Gas-Turbinenbetriebs
mittels der Brennkammer realisiert günstige Kraftstoffverbrauchsbedingungen
in einem kurzen Zeitraum in einer Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine.
-
Ein
erfindungsgemäßer Abgasturbolader ist insbesondere
bei Ottomotoren sehr vorteilhaft einsetzbar. Aber auch bei Dieselmotoren
kommen seine Vorteile zum Tragen.
-
Bei
Dieselmotoren steht eine schnelle Erzeugung optimaler Betriebstemperaturen
der Abgasnachbehandlungsanlage, wie zum Beispiel zur Denoxierung
und Rußfilterregeneration, im Mittelpunkt. Durch den Einsatz
eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers können
Zeiträume, in denen wirkungsgradschädliche niedrige
Eintrittstemperaturen der genannten Anlagen auftreten, verkürzt
werden, bei gleichzeitiger beschriebener Begünstigung des
transienten Verhaltens des Abgasturboladers und der Verbrennungskraftmaschine,
hier in Form eines Dieselmotors.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Beschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten
Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
-
1 einen
Längsschnitt durch eine Mehrstrom-Maschine mit einem Verdichter
mit integrierter Luftturbine gemäß dem Stand der
Technik,
-
2 eine
schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
Ansaugtrakt, einem Abgastrakt, einem Abgasturbolader mit einer Luftturbine
und einer Brennkammer,
-
3 eine 2 entsprechende
Darstellung in einer alternativen Ausführungsform und
-
4 eine 3 entsprechende
Darstellung in einer alternativen Ausführungsform.
-
Während 1 einen
Längsschnitt durch eine Mehrstrom-Maschine zeigt, die sowohl
als Kompressor als auch als Turbine auf einer Luftseite eines Aufladesystems
Verwendung findet und die zur Einstellung von Strömungsparametern
variable Verstellvorrichtungen aufweist, zeigen 2, 3 und 4 je
eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit
einem Ansaugtrakt, einem Abgastrakt und einer Mehrstrom-Maschine
in Form eines Abgasturboladers, wobei die Mehrstrom-Maschine als
Kompressor oder auch als Turbine auf einer Luftseite eines Aufladesystems
Verwendung findet. Vor der Luftseite des Abgasturboladers ist eine
Brennkammer angeordnet, mittels derer eine die Luftseite des Abgasturboladers
durchströmende Luft erwärmbar und mit Abgas beaufschlagbar
ist.
-
Die 1 zeigt
eine bekannte Mehrstrom-Maschine 10 in Form eines Abgasturboladers mit
einem abschnittsweise dargestellten Verdichterrad 11 und
einem ebenfalls abschnittsweise dargestellten Gehäuse 13.
In einem unaufgeladenen Betriebsbereich einer Verbrennungskraftmaschine,
in Verbindung derer eine derartige Mehrstrom-Maschine 10 eingesetzt
wird, wird eine Turbinenfunktion des Verdichterrads 11 über
einen Ringkanal 12 und einen Leitgitterkanal 15 realisiert.
-
Der
Leitgitterkanal 15 kann dabei durch ein axial verschiebbares
Absperrelement 14 in seinem Durchströmungsquerschnitt
eingestellt und damit von einem Strömungsmedium, in der
Regel Luft, gemäß den Pfeilrichtungen 20 durchströmt
werden. Das Absperrelement 14 ist gemäß dem
Richtungspfeil 16 axial verschiebbar.
-
Während
dieser Turbinenfunktion ist ein axialer Eintritt 17 mittels
eines Drosselorgans 18 versperrt. Das Drosselorgan 18 kann
gemäß den Pfeilrichtungen 19 verstellt
werden.
-
Bei
der in 1 dargestellten Mehrstrom-Maschine 10 kann
das Verdichterrad 11 in Folge der dargestellten Umlenkung
des Strömungsmediums durch den Ringkanal 12 auch
eine Turbinenfunktion übernehmen, ohne dabei seine Drehrichtung verändern
zu müssen.
-
In
einem Kompressorbetrieb, also in aufgeladenen Betriebsbereichen
der Verbrennungskraftmaschine, wird eine Enddrosselung des axialen
Eintritts 17 durchgeführt. Das Drosselorgan 18 wird
dabei von seiner in 1 dargestellten vertikalen Position
in eine horizontale Position verbracht.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine 30 mit
einem Abgastrakt 32 und einem Ansaugtrakt 34.
-
Ein
Abgasturbolader 40 ist mit seiner Abgasseite so angeordnet,
dass eine abgasseitige Turbine 42 des Abgasturboladers 40 von
heißem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 30 durchströmt
wird. Die Turbine 42 weist eine variable Turbinengeometrie auf,
die durch eine Regelung 52 betriebspunktgerecht eingestellt
wird.
-
Weiterhin
ist der Abgasturbolader 40 mit seiner Luftseite so angeordnet,
dass ein luftseitiger Verdichter 44 des Abgasturboladers 40 von
angesaugter Luft durchströmt werden kann. Mit dem Verdichter 44 drehfest
verbunden ist eine luftseitige zweite Turbine 45, wodurch
der Abgasturbolader 40 als Turbine auf der Luftseite des
Abgasturboladers 40 und damit der Verbrennungskraftmaschine 30 betrieben
werden kann.
-
Dabei
ist vorstellbar, dass die luftseitige Turbine 45 mit dem
Verdichter 44 drehfest verbunden oder gar als einteiliges
Bauteil ausgebildet ist. Wie schon in Zusammenhang mit 1 beschrieben
ist aber ebenso möglich, das der Verdichter 44 selbst
als Turbine fungieren kann, und zwar durch geeignete Umlenkung der
angesaugten Luft mittels zumindest einer variablen Verstellvorrichtung
stromauf des Verdichters 44 beziehungsweise der Turbine 45,
die hier schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 47 bezeichnet
ist. Auch die variable Verstellvorrichtung 47 wird über
die Regelung 52 betriebspunktgerecht eingestellt.
-
Stromauf
des Verdichters 44 ist eine Drosselvorrichtung 46 vorgesehen,
die in der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Weise die Turbinenfunktion der Luftseite des Abgasturbolader 40 einstellt.
Auch die Drosselvorrichtung 46 wird durch die Regelung 52 betriebspunktgerecht
geregelt.
-
Stromauf
der Drosselvorrichtung 46 ist eine Brennkammer im Ansaugtrakt 34 der
Verbrennungskraftmaschine 30 angeordnet, die die angesaugte Luft
erhitzt und diese mit Verbrennungsprodukten in Folge einer Verbrennung
von zugeführtem Kraftstoff beaufschlagt. Die Zuführung
von Kraftstoff folgt über eine Kraftstoffzuführung 54,
die in 2 dargestellt und ebenfalls von der Regelung 52 geregelt
wird.
-
Stromauf
der Brennkammer 38 wiederum ist ein Luftfilter 36 angeordnet,
der die angesaugte Luft filtert.
-
Eine
Befeuerung der Brennkammer 38 wird üblicherweise
nur in einem unaufgeladenen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 30 oder
in einer Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 30 durchgeführt,
wenn ein dadurch entstehender Heiß-Gas-Turbinenbetrieb
auf der Luftseite des Abgasturboladers 40 unterstützend
auf eine Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine 40 und
somit auf eine Reduzierung von Emissionen und auf eine Verbesserung
eines transienten Verhaltens des Abgasturboladers 40 und damit
der Verbrennungskraftmaschine 30 wirken soll.
-
Die
Luftseite des Abgasturboladers 40 ist dabei mittels eines
Rotors 43 mit der Abgasseite des Abgasturboladers 40 verbunden.
Wird die Brennkammer 38 also befeuert, so treibt der Verdichter 44 in
seiner luftseitigen Turbinenfunktion über den Rotor 43 die
Turbine 42 des Abgasturboladers 40 an. Somit liegen
auch bei sehr niedrigen Lasten der Verbrennungskraftmaschine 30 hohe
Abgasturbolader-Drehzahlen vor.
-
Ruft
ein Fahrer eines Kraftwagens, in den das in 2 dargestellte
System verbaut ist, durch eine Betätigung eines Gaspedals
ein hohes Moment der Verbrennungskraftmaschine 30 ab, wobei
diese sich gerade in einem Betriebspunkt sehr niedriger Last befindet,
so muss der Abgasturbolader 40 nicht erst von niedrigen
auf hohe Drehzahlen hochdrehen, sondern weist schon aufgrund des
beschriebenen Sachverhalts hohe Drehzahlen auf.
-
In
diesem Fall wird der luftseitige Heiß-Gas-Turbinenbetrieb
durch die Regelung 52 abgeschaltet, und ein Betriebsbereich
der Verbrennungskraftmaschine 30 geht von einem unaufgeladenen
Betriebsbereich in einen aufgeladenen Betriebsbereich über,
das heißt der Verdichter 44 arbeitet nun nicht
mehr als luftseitige Turbine sonder als Verdichter 44.
-
Die
Befriedigung einer hohen Momentenanforderung des Fahrers kann nur
durch eine hohe Verdichtung von angesaugter Luft erfolgen, die wiederum
nur mit hohen Drehzahlen des Abgasturboladers 40 möglich
ist. Da aufgrund des beschriebenen Sachverhalts auch bei einem Betriebspunkt
der Verbrennungskraftmaschine 30 mit niedriger Last hohe Drehzahlen
des Abgasturboladers 40 vorliegen, kann bei einer plötzlichen
hohen Momentenanforderung des Fahrers diese Anforderung ohne Zeitverzug
befriedigt werden. Das so genannte Turboloch bleibt aus.
-
Neben
einer Erhöhung der Temperatur, der Luft durch eine Verbrennung
von Kraftstoff in der Brennkammer 38 wird auch Abgas stromauf
der abgasseitigen Turbine 42 abgezapft und stromauf der luftseitigen
Turbine 45 eingepumpt.
-
Durch
diese Hochdruck-Niederdruck-Abgasrückführung 55 werden
höchste Abgasturbolader-Drehzahlen bei niedersten Lasten
erreicht.
-
Stromab
des Verdichters 44 und der luftseitigen Turbine 45 ist
ein Luft-AGR-Kühler 50 mit einer Bypasseinrichtung 48 angeordnet.
Die Bypasseinrichtung 48 wird dabei ebenso von der Regelung 52 betriebspunktgerecht
eingestellt. Der Luft-AGR-Kühler 50 dient dabei
der Kühlung des Luft-Abgas-Gemisches zur Erreichung eines
bestimmten Leistungsniveaus der Verbrennungskraftmaschine 30 und
zur Reduzierung der NOx-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 30.
-
Das
die abgasseitige Turbine 42 des Abgasturboladers 40 durchströmende
Abgas wird nach seiner Expansion durch die Turbine 42 in
einer Abgasnachbehandlungsanlage 56 gereinigt.
-
3 zeigt
eine alternative Ausführungsform der in 2 dargestellten
Anordnung. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugzeichen bezeichnet.
-
Der
Unterschied in 3 zu 2 ist, dass durch
die in 3 dargestellte Form der Abgasrückführung 55' eine
Niederdruck-Abgasrückführung realisiert ist. Bei
dieser Niederdruck-Abgasrückführung wird das zurückzuführende
Abgas nach der Abgasnachbehandlungsanlage 56 abgezapft.
-
Die
Einstellung der zurückgeführten Abgasmenge erfolgt
durch eine Abgasrückführeinrichtung 58,
die ebenfalls von der Regelung 52 geregelt wird.
-
Zudem
ist stromab der Abgasrückführung 55' ein
Einströmbehälter 60 angeordnet. Dieser
Einströmbehälter 60 ist für
eine gute Durchmischung der zurückgeführten Abgasmenge
mit der angesaugten Frischluft verantwortlich und liegt stromauf
der Brennkammer 38.
-
Es
ist ebenso denkbar, den Einströmbehälter 60 des
rückgeführten Abgases auch stromab der Brennkammer 38 auf
der Luftseite des Abgasturboladers 40 und der Verbrennungskraftmaschine 30 anzuordnen,
jedoch stromauf der Turbine 45.
-
Bei
einer Anordnung des Einströmbehälters 16 zwischen
Brennkammer 38 und der Turbine 45 wären
Massenstromschwankungen beziehungsweise Spreizungen von Strömungsgeschwindigkeiten, hier
der reinen Luft ohne Abgasen, deutlich größer, was
eine höhere Anforderung an eine Brennstabilität der
Brennkammer 38 notwenig machen würde.
-
4 zeigt
eine alternative Ausführungsform der Anordnung aus 3.
Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 4 ist
der Rotor 43, der den luftseitigen Verdichter 44 und
die luftseitige Turbine 45 mit der abgasseitigen Turbine 42 verbindet,
mit einer elektrischen Maschine 62 verbunden. Hierdurch
wird der Abgasturbolader 40 quasi zu einer Gasturbine,
die von der angesaugten Umgebungsluft gespeist und von der Verbrennungskraftmaschine 30 durch
die Brennkammer 38 gesaugt wird.
-
Ist
also die elektrische Maschine 62 als Elektrogenerator ausgebildet,
so kann durch die Drehzahlen des Abgasturboladers 40 elektrische
Energie gewonnen werden. Vorteilhafter Weise weist die elektrische
Maschine 62 zudem die Funktionalität eines Elektromotors
auf, wodurch gegebenenfalls der Abgasturbolader 40 auf
hohe Drehzahlen gebracht werden kann.
-
Eine
Expansion der angesaugten Umgebungsluft von einem Zustand des Umgebungsdrucks erfolgt
durch die Brennkammer 38, in welcher die Temperaturerhöhung
durchgeführt wird, auf einen Saugrohrdruck der Luftseite
der Verbrennungskraftmaschine 30. Die Verbrennungskraftmaschine 30 besitzt
dabei ein gewisses Unterdruckniveau entsprechend einem aktuellen
Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 30, wobei dieses
Unterdruckniveau durch einen durch die variable Verstellvorrichtung 47 der
luftseitigen Turbine 45 der Mehrstrom-Maschine, hier in
Form des Abgasturboladers 40, bestimmt wird.
-
Eine
Leistung, die den Elektrogenerator 62 speist, wird zusätzlich
noch durch die eigentliche, abgasseitige Turbine 42 des
Abgasturboladers 40 entsprechend eines Turbineneintrittsdrucks
auf der Abgasseite des Abgasturboladers 40 um ein Vielfaches der
luftseitigen Turbine 45 erhöht.
-
Die
in den 2 bis 4 beschriebene Anordnung einer
Brennkammer 38 auf der Luftseite eines Abgasturboladers 40 und
damit einer Verbrennungskraftmaschine 30 ist für
Verbrennungskraftmaschinen nach dem Diesel- oder im Besonderen nach dem
Ottoverfahren für PKW- und NFZ-Fahrzeuge von Bedeutung.
-
Die
luftseitig platzierte Brennkammer 38 stellt ein weiteres
wesentliches Element für die Umsetzung verschiedenster
Verfahren dar, die mit dem Begriff „Hot-Gas-Turbocharging” (HGT)
gekennzeichnet sind und einen voll heißgasfähigen
Turbolader auch auf der Luftseite in Anwendung bringen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19955508
C1 [0006]
- - DE 102006011422 A1 [0008]