DE102008064521A1

DE102008064521A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102008064521A1
Application number: DE102008064521A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schwarzenthal; Norbert Hemmerlein; Stephan Müller
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: DE102008064521B4; CN101749105B; US8555636B2; US20100154414A1; CN101749105A; JP4892054B2; JP2010144731A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer, einer Abgasleitung, einem Abgasturbolader, durch den ein für die Aufladung von Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine vorgesehener Verdichter angetrieben wird, und einer von der Abgasleitung abgezweigten Bypassleitung, in der eine Nutzturbine angeordnet ist, wobei von der Bypassleitung eine Kurzschlussleitung abzweigt und in einen Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader mündet. Außerdem ist ein erstes Ventil im Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader derart positioniert, dass aus dem Abgasturbolader ausströmendes Abgas in die Kurzschlussleitung und danach zur Nutzturbine umgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei modernen fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird ein Motor-Downsizing, insbesondere mit Hilfe der Turboaufladung erzielt. Hierdurch kann der Kraftstoffverbrauch besonders in den Teillastfahrzyklen vermindert werden. Nachteilig bei einem solchen Konzept ist das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers, das so genannte Turboloch, bei dem der Drehmomentanstieg bei einer Lastanforderung verzögert zustande kommt. In der Druckschrift DE 37 29 117 C1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Nutzturbine beschrieben, bei der die Nutzturbine in einer Bypassleitung positioniert ist. Zwischen der Bypassleitung und dem Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader ist eine Kurzschlussleitung positioniert, in der eine Drossel vorgesehen ist. Darüber hinaus ist aus der Druckschrift WO 2008/075130 A1 eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der in der Abgasleitung zwei Abgasturbolader vorgesehen sind. Mit dem ersten Abgasturbolader wird ein Verdichter betrieben, wobei mit dem zweiten Abgasturbolader eine elektrische Maschine angetrieben wird. Je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine wird die elektrische Maschine als Motor betrieben. In der Druckschrift DE 38 07 372 A1 ist weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einem zweistufigen Abgasturbolader beschrieben, wobei in einer abgezweigten Abgasleitung eine Nutzturbine vorgesehen ist. Mit der Nutzturbine ist ein Generator verbunden. Dabei wird bei einem Volllastbetriebspunkt der gesamte Abgasstrom durch den ersten Abgasturbolader, danach durch die Nutzturbine und dann durch den zweiten Abgasturbolader geleitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass eine Nutzung der Abgasenergie verbessert wird. Diese wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass im Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader ein erstes Ventil derart positioniert ist, dass aus dem Abgasturbolader ausströmendes Abgas, teilweise oder vollständig, in die Kurzschlussleitung und danach zur Nutzturbine umgeleitet wird. Vorzugsweise ist das erste Ventil als ein steuerbares Absperrventil, beispielsweise in Form einer Klappe oder eines Drei-Wege-Ventils, ausgebildet. Das Ventil ist vorzugsweise am Ende der Kurzschlussleitung derart positioniert, dass die gesamte Abgasmenge in die Kurzschlussleitung umgeleitet werden kann. Vorzugsweise ist die Nutzturbine mit einer elektrischen Maschine verbunden, wobei die elektrische Maschine je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine oder je nach Abgasdurchflussmenge als Generator oder als Motor betreibbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird die Umleitung des gesamten aus dem Abgasturbolader ausströmenden Abgasstroms in die Kurzschlussleitung und danach zur Nutzturbine ermöglicht. Bei einem solchen Betriebspunkt wird die Nutzturbine durch die elektrische Maschine angetrieben, um hierdurch im Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader ein Unterdruck zu erzeugen. Dadurch wird die Entstehung eines Turbolochs verhindert. Folglich wird das Ansprechverhalten des Abgasturboladers, auch bei niedrigen Drehzahlen deutlich verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Abgasleitung und/oder in der Bypassleitung mindestens ein zweites Ventil positioniert, mit dem eine durch die Bypassleitung umgeleitete Abgasmenge einstellbar ist. Vorzugsweise ist das zweite Ventil als ein steuerbares Ventil, beispielsweise als Klappenventil oder als eine Drei-Wege-Ventil, ausgebildet. Durch die Anordnung des zweiten Ventils kann beispielsweise bei Volllast ein Teil der Abgasmenge zur Nutzturbine umgeleitet werden. Somit wird die elektrische Maschine zur Stromerzeugung durch die Nutzturbine angetrieben. Der hier gewonnene Strom kann in einer Batterie gespeichert und/oder für die Versorgung von elektrischen Nebenaggregaten verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei Umleitung des aus dem Abgasturbolader strömenden Abgases in die Kurzschlussleitung eine Verbindung zwischen der Abgasleitung und der Bypassleitung durch das zweite Ventil verschlossen. Eine vollständige Umleitung des aus dem Abgasturbolader strömenden Abgases in die Kurzschlussleitung wird erfindungsgemäß bei niedrigen und mittleren Drehzahlen vorgenommen. Vorzugsweise wird dabei die elektrische Maschine als elektrischer Motor betrieben. Hierdurch wird das Ansprechverhalten des Abgasturboladers aufgrund des im Abgasleitungsabschnitt hinter dem Abgasturbolader erzeugten Unterdrucks verbessert.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Nutzturbine,
2 eine weitere Darstellung der Brennkraftmaschine aus 1 bei Volllast, und
3 eine weitere Darstellung der Brennkraftmaschine aus 1 während einer Warmlaufphase.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch gezeigt, bei der an einem Zylinderkopf 17 ein Abgaskrümmer 2 angeordnet ist. Im Abgaskrümmer 2 werden die Abgase aus dem jeweiligen Brennraum 19 gesammelt und in eine Abgasleitung 3 geleitet. In der Abgasleitung 3 ist ein Abgasturbolader 4 angeordnet, der mit einem Verdichter 12 durch eine Welle 20 verbunden ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich sowohl für fremdgezündete als auch für kompressionsgezündete Brennkraftmaschinen. Der Abgasturbolader 4 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem definierten Abgasstrom beaufschlagt. Hierdurch wird die Antriebswelle 20 und somit auch der Verdichter 12 angetrieben. Mit dem Verdichter 12 wird Verbrennungsluft durch die Ansaugleitung 14 angesaugt, verdichtet und an die Brennkraftmaschine 1 durch die Ladeluftleitung 15 weitergeleitet. Zwischen der Ansaugluftleitung 14 und der Ladeluftleitung 15 ist eine Zwischenleitung 16 vorgesehen, in der ein steuerbares Absperrmittel, vorzugsweise in Form einer Umluftklappe 13, positioniert ist. Diese dient hauptsächlich für die Drosselung der Ladeluft, insbesondere während der Teillast der Brennkraftmaschine 1, so dass durch eine geöffnete Stellung der Umluftklappe 13 ein Bypass um den Verdichter 12 vorliegt. Hierdurch kann ein von der Brennkraftmaschine 1 nicht erforderlicher Verbrennungsluftmassenstrom wieder in die Ansaugluftleitung 14 geführt werden.
Erfindungsgemäß ist in einem Abgasleitungsabschnitt zwischen dem Abgaskrümmer 2 und dem Abgasturbolader 4 eine Bypassleitung 5 vorgesehen, durch die Abgas um den Abgasturbolader 4 umgeleitet werden kann. In dieser Bypassleitung 5 ist eine Nutzturbine 9 positioniert, die mit einer elektrischen Maschine 10 verbunden ist. Die elektrische Maschine 10 kann je nach Betriebspunkt bzw. je nach Bedarf als Generator oder als elektrischer Motor betrieben werden. Darüber hinaus zweigt von der Bypassleitung 5 eine Kurzschlussleitung 6 ab, die in einen Abgasleitungsabschnitt 7 hinter dem Abgasturbolader 4 mündet. Hier ist im Mündungsabschnitt ein Ventil 8 positioniert, das vorzugsweise als steuerbare Klappe ausgebildet ist. Das Ventil 8 kann alternativ aus mehreren Schaltklappen gebildet sein, die dazu dienen, den aus dem Abgasturbolader 4 ausströmenden Abgasstrom teilweise oder vollständig durch die Kurzschlussleitung 6, danach durch die Bypassleitung 5 und somit durch die Nutzturbine 9 umzuleiten.
Außerdem ist in einem Abzweigungsabschnitt zwischen der Abgasleitung 3 und der Bypassleitung 5 ein weiteres Ventil 11 angeordnet, das vorzugsweise als steuerbare Klappe ausgebildet ist. Mit dem Ventil 11 kann der aus dem Abgaskrümmer austretende Abgasstrom teilweise oder vollständig in die Bypassleitung 5 umgeleitet werden. Das Ventil 11 übernimmt somit die Funktion einer Wastegate-Klappe, die insbesondere bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen gemäß 2 ein Teil der Abgase um den Abgasturbolader 4 in die Bypassleitung 5 abzweigt. In einem solchen Betriebspunkt, d. h., bei hohen Lasten und Drehzahlen, strömt ein Teil des Abgases durch die Bypassleitung 5 hindurch bis zur Nutzturbine 9. Das Ventil 8 verschließt dabei gemäß 2 die Kurzschlussleitung 6. Hier wird die Abgasenergie durch die Nutzturbine 9 direkt in elektrische Energie umgewandelt, und vorzugsweise in einer nicht dargestellten Batterie gespeichert. Alternativ wird der mit Hilfe der generatorisch betrieben elektrischen Maschine 10 gewonnene Strom bei Verwendung der Brennkraftmaschine 1 in einem Hybridantrieb für die Aufladung der Hybridbatterie verwendet. Denkbar könnte der im Generator 10 gewonnene Strom für den Antrieb von elektrischen Nebenaggregaten auch bei einem Hybridantrieb verwendet werden.
In einem Teillastbereich gemäß 1 wird das Ventil 8 derart eingestellt, dass das aus dem Abgasturbolader ausströmende Abgas vollständig in die Kurzschlussleitung 6 und danach zur Nutzturbine 9 umgeleitet wird. In diesem Betriebspunkt wird mit Hilfe des Ventils 11 die Bypassleitung 5 verschlossen, so dass der komplette Abgasstrom zum Abgasturbolader 4 gefördert wird. In dieser Stellung wird die elektrische Maschine 10 motorisch betrieben. Hierdurch wird im Abgasleitungsabschnitt 7 hinter dem Abgasturbolader 4 ein Unterdruck erzeugt. Demzufolge wird das Ansprechverhalten des Abgasturboladers 4 verbessert. Üblicherweise ist der Grund für den verzögerten Drehmomentaufbau bei Turbomotoren das träge Ansprechen des Abgasturboladers 4. Zum Drehmomentaufbau muss der Abgasturbolader 4 in seiner Drehzahl beschleunigt werden, so dass der Verdichter 12 den erforderlichen Ladedruck auf der Verdichterseite aufbaut. Dabei wird der hauptsächliche Anteil der Abgasenergie für den Hochlauf eines Turboladers für die Überwindung der Massenträgheiten gebraucht. So ist der Bedarf für die Überwindung der Massenträgheiten beim Hochlauf des Turboladers am höchsten, wobei sich die erforderliche thermodynamische Abgasenergie zum Aufbau des Ladedruckes nach dem Hochlauf des Turboladers verringert. Mit dem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 10 wird im Abgasleitungsabschnitt 7 ein Unterdruck erzeugt, so dass der durch die Massenträgheiten verursachte Widerstand des Abgasturboladers 4 verringert wird. Um eine weitere Verringerung des Widerstands des Turboladers 4 zu bewirken, wird das Klappenventil 13 auf der Verdichterseite geöffnet.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 ist weiterhin mit einer Sekundärluftgalerie 18 versehen, durch die Sekundärluft in den Abgaskrümmer 2 zum Aufheizen eines nicht dargestellten Katalysators während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 erzielt wird. Erfindungsgemäß wird während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 1 die komplette Abgasmenge um den Abgasturbolader 4 durch die Bypassleitung 5 gemäß 3 geleitet. In diesem Betriebspunkt wird die elektrische Maschine 10 als elektrischer Motor betrieben, so dass ein Unterdruck im Abgaskrümmer 2 erzeugt wird. Dadurch kann über diese Sekundärluftgalerie 18 Sekundärluft in den Abgaskrümmer 2 angesaugt werden, um die erwünschte Nachreaktion für die Aufheizung eines Katalysators einzustellen.
Erfindungsgemäß werden die Stellungen der jeweiligen Ventile 8, 11 und 13 von einer nicht dargestellten Steuereinheit gesteuert bzw. geregelt, wobei die jeweilige Stellung der Ventile 8, 11 und 13 sowie der Betrieb der elektrischen Maschine 10 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 gesteuert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3729117 C1 [0002]
- WO 2008/075130 A1 [0002]
- DE 3807372 A1 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgaskrümmer (2), einer Abgasleitung (3), einem Abgasturbolader (4), durch den ein für die Aufladung von Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine (1) vorgesehener Verdichter angetrieben wird, und einer von der Abgasleitung (3) abgezweigten Bypassleitung (5), in der eine Nutzturbine (9) angeordnet ist, wobei von der Bypassleitung (5) eine Kurzschlussleitung (6) abzweigt und in einen Abgasleitungsabschnitt (7) hinter dem Abgasturbolader (4) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasleitungsabschnitt (7) hinter dem Abgasturbolader (4) ein erstes Ventil (8) derart positioniert ist, dass aus dem Abgasturbolader (4) ausströmendes Abgas in die Kurzschlussleitung (6) und danach zur Nutzturbine (9) umgeleitet wird.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzturbine (9) mit einer elektrischen Maschine (10) verbunden ist.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) je nach Betriebspunkt der Brennkraftmaschine (1) als Generator oder als Motor betrieben wird.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (3) und/oder in der Bypassleitung (5) mindestens ein zweites Ventil (11) positioniert ist, mit dem eine durch die Bypassleitung (5) umgeleitete Abgasmenge einstellbar ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umleitung des aus dem Abgasturbolader (4) ausströmenden Abgases in die Kurzschlussleitung (6) eine Verbindung zwischen der Abgasleitung (3) und der Bypassleitung (5) durch das zweite Ventil (11) verschlossen wird.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umleitung des aus dem Abgasturbolader (4) ausströmenden Abgases in die Kurzschlussleitung (6) bei niedrigen und mittleren Drehzahlen vorgenommen wird.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umleitung des aus dem Abgasturbolader (4) ausströmenden Abgases in die Kurzschlussleitung (6) die elektrische Maschine (10) als elektrischer Motor betrieben wird.