DE102009000187B4

DE102009000187B4 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009000187B4
Application number: DE102009000187.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Friedfeldt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-01-13
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: CN101776030A; CN101776030B; DE102009000187A1

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1), der zur Laststeuerung eine Quantitätsregelung zugrunde liegt, mit – mindestens einer Ansaugleitung (2) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Frischluft bzw. Frischgemisch, – mindestens einem Zylinder (3), der mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (4) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (3) anschließt, – mindestens einem Abgasturbolader (5), der eine in der mindestens einen Abgasleitung (4) angeordnete Turbine (5a) und einen in der mindestens einen Ansaugleitung (2) angeordneten Verdichter (5b) umfaßt, wobei eine Leitung (7) zur Abgasrückführung (6) vorgesehen ist, die aus der Abgasleitung (4) abzweigt und in die mindestens eine Ansaugleitung (2) mündet, und – einer kühlmittelbetriebenen Kühlvorrichtung (8) zur Kühlung des rückzuführenden Abgases, welche eine Kühlmittelpumpe (9) zur Förderung des Kühlmittels umfaßt, bei der – die Turbine (5a) des Abgasturboladers (5) auf kleine Abgasmassenströme ausgelegt ist, und – eine Bypaßleitung (10) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) aus der zugehörigen Abgasleitung (4) abzweigt, wobei in der Bypaßleitung (10) eine weitere Turbine (12) angeordnet ist, die dem Antrieb der Kühlmittelpumpe (9) unter Ausnutzung des via Bypaßleitung (10) abgeblasenen Abgasmassenstroms dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine, der zur Laststeuerung eine Quantitätsregelung zugrunde liegt, mit

– mindestens einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft bzw. Frischgemisch,
– mindestens einem Zylinder, der mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine in der mindestens einen Abgasleitung angeordnete Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, wobei eine Leitung zur Abgasrückführung vorgesehen ist, die aus der Abgasleitung abzweigt und in die mindestens eine Ansaugleitung mündet, und
– einer kühlmittelbetriebenen Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases, welche eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels umfaßt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der genannten Art.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2005 004 778 A1 , wobei abweichend keine Einschränkung dahingehend vorgenommen wird, ob der Brennkraftmaschine eine Quantitätsregelung oder eine Qualitätsregelung zur Laststeuerung zugrunde gelegt werden soll bzw. sollte.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 34 135 A1 beschreibt eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei die Turbine des Abgasturboladers in einer Abgasleitung angeordnet ist, die zum Abführen der Abgase aus dem mindestens einen Zylinder dient. Der Verdichter des Abgasturboladers ist in einer Ansaugleitung angeordnet, die der Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft bzw. Frischgemisch dient. Es ist eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen, die eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels umfasst. Dabei wird die Kühlmittelpumpe mittels einer zusätzlichen, d. h. weiteren Turbine unter Ausnutzung eines via Bypassleitung abgeblasenen Abgasmassenstroms angetrieben. Diese weitere Turbine ist in einer Bypassleitung angeordnet, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers aus der Abgasleitung abzweigt.
Für die Aufladung einer Brennkraftmaschine wird vorliegend mindestens ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der Turbine Abgase zugeführt werden, die sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannen, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Häufig wird zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder herunter gekühlt wird. Durch Absenken der Temperatur wird die Dichte der Ladeluft erhöht, weshalb auch die Ladeluftkühlung zu einer besseren Füllung der Zylinder beiträgt. In der Regel wird eine Flüssigkeitskühlung d. h. eine kühlmittelbetriebene Ladeluftkühlung verwendet.
Die Vorteile des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader bestehen darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung und den Wirkungsgrad mindert, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck p_me gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen läßt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, wo der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. Die Aufladung eignet sich daher ebenfalls zur Reduzierung der Schadstoffemissionen.
Bei der Entwicklung von aufgeladenen Brennkraftmaschinen stehen eine Verbesserung des Ansprechverhaltens im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine und eine Verbesserung der Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich im Vordergrund der Bemühungen.
Nach dem Stand der Technik wird nämlich ein spürbarer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Ottomotor die Last bei konstanter Drehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Lasten hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dabei dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Mit zunehmender Last bzw. zunehmender Drehzahl d. h. mit zunehmender Abgasmenge muß dann eine zunehmend größere Menge Abgas an der Turbine vorbeigeführt d. h. abgeblasen werden. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypaßleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unbefriedigend ist.
In der Praxis führen die beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik mehrere Turbolader oder Kombinationen von Abgasturboladern und mechanischen Ladern eingesetzt werden.
Um die zukünftigen Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt steht dabei auch die Reduzierung der Stickoxidemissionen. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuß, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR) via Rückführleitung d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen aus der Abgasleitung in die Ansaugleitung zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei wie folgt: x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft) wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte und gegebenenfalls komprimierte Frischluft bzw. Ladeluft bezeichnet.
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Zur Realisierung dieser hohen Rückführraten ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung zwingend erforderlich. Die Dichte des rückgeführten Abgases nimmt infolge der Kühlung zu.
Daher wird eine Kühlvorrichtung vorgesehen, häufig eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung, welche eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels umfaßt und in der Rückführleitung angeordnet wird.
Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch ebenfalls gesenkt, wodurch die Kühlvorrichtung der Abgasrückführung auch zu einer besseren Füllung des Brennraums beiträgt.
Die Abgasrückführung kann bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen nicht nur zur Reduzierung der Schadstoffemissionen, sondern auch zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass hohe Rückführraten bei hohen Lasten, insbesondere bei Vollast, zu deutlichen Kraftstoffverbrauchsvorteilen führen, die in der Größenordnung von bis zu 20% liegen können.
Als problematisch bei der Umsetzung dieser Maßnahme, nämlich der Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch Abgasrückführung bei hohen Lasten, erweisen sich aber die großen rückzuführenden Abgasmengen hoher Temperatur bzw. die Kühlung dieser großen heißen Abgasmengen.
Beim traditionellen Ottomotor, bei dem die Einstellung der gewünschten Leistung – im Rahmen einer Quantitätsregelung – durch Veränderung der Füllung des Brennraumes erfolgt, nimmt mit zunehmender Last prinzipbedingt der Ladeluftstrom d. h. die Ladeluftmasse zu. Zur Realisierung der notwendigen Rückführraten sind bei den hier relevanten Lastbereichen dementsprechend große Abgasmengen zurückzuführen und zu kühlen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Verbrennungsgase in den hier relevanten Lastbereichen vergleichsweise hohe Temperaturen aufweisen, die 900°C übersteigen können. Der rückzuführende Abgasstrom muß auch aus den oben bereits dargelegten Gründen gekühlt werden, in der Regel auf unter 100°C.
Die großen zu kühlenden Abgasmengen und die hohen Abgastemperaturen erfordern eine Hochleistungskühlung. Die Kühlmittelpumpe dieser Hochleistungskühlung zur Förderung des Kühlmittels d. h. ihr Antrieb weist einen entsprechend hohen Energiebedarf auf. Die Problematik hinsichtlich der hohen Abgastemperaturen und der großen zu kühlenden Abgasmengen verschärft sich bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wie sie auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, nochmals.
Die Kühlmittelpumpe könnte, um angetrieben zu werden, mit der Brennkraftmaschine mechanisch gekoppelt werden, beispielsweise mittels Zugmitteltrieb, was das verbleibende Leistungsangebot der Brennkraftmaschine aber nicht unerheblich schmälert. Nachteilig an dieser Art des Antriebs ist insbesondere, dass der Antrieb der Kühlmittelpumpe nicht bedarfsgerecht d. h. ungeregelt erfolgt und somit zu Verlusten in sämtlichen Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine führt. Die Verluste könnten gegebenenfalls die erzielten Verbrauchsvorteile kompensieren oder gar übersteigen.
Eine weitere Möglichkeit bietet die Verwendung einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe. Insbesondere ist ein bedarfsgerechter d. h. geregelter Antrieb der Pumpe möglich, was die Energiebilanz gegenüber der zuvor beschriebenen Ausführungsform verbessert. Nichtsdestotrotz müßte auch der Energiebedarf einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe von der Brennkraftmaschine – wenn auch indirekt via Generator bzw. Bordbatterie – gedeckt werden. Zudem ist der Einsatz einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe mit hohen Kosten verbunden, insbesondere den Kosten für die Pumpe als solche.
Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 d. h. der gattungsbildenden Art bereitzustellen, die insbesondere mit einer Hochleistungskühlung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases ausgestattet ist, deren Antrieb den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine so gering wie möglich beeinflußt d. h. verschlechtert.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine, der zur Laststeuerung eine Quantitätsregelung zugrunde liegt, mit

– mindestens einer Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Frischluft bzw. Frischgemisch,
– mindestens einem Zylinder, der mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder anschließt,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine in der mindestens einen Abgasleitung angeordnete Turbine und einen in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter umfaßt, wobei eine Leitung zur Abgasrückführung vorgesehen ist, die aus der Abgasleitung abzweigt und in die mindestens eine Ansaugleitung mündet, und
– einer kühlmittelbetriebenen Kühlvorrichtung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases, welche eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels umfaßt,

– die Turbine des Abgasturboladers auf kleine Abgasmassenströme ausgelegt ist, und
– eine Bypaßleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus der zugehörigen Abgasleitung abzweigt, wobei in der Bypaßleitung eine weitere Turbine angeordnet ist, die dem Antrieb der Kühlmittelpumpe unter Ausnutzung des via Bypaßleitung abgeblasenen Abgasmassenstroms dient.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine nutzt zum Antrieb der Kühlmittelpumpe die Abgasenergie des heißen Abgasstroms, während die Kühlmittelpumpe nach dem Stand der Technik die für ihren Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und auf diese Weise das verbleibende Leistungsangebot und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine mindert.
Hierzu wird eine Bypaßleitung vorgesehen, die stromaufwärts der Turbine von der zu der Turbine zugehörigen Abgasleitung abzweigt und in der eine weitere Turbine angeordnet ist. Der via Bypaßleitung am Abgasturbolader vorbeigeführte Abgasstrom d. h. der abgeblasene Abgasstrom treibt die weitere Turbine an. Die an die weitere Turbine abgegebene Energie wird dann für den Antrieb der Kühlmittelpumpe verwendet.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gehen aber über die rein konstruktive, d. h. bauliche Maßnahme, eine zusätzliche Turbine zum Antrieb der Pumpe unter Ausnutzung der Abgasenergie vorzusehen, hinaus. Die einzelnen konstruktiven Maßnahmen führen in der Kombination zu Synergieeffekten und erweisen sich im Zusammenwirken als überaus vorteilhaft, um bei hohen Lasten den Kraftstoffverbrauch durch Abgasrückführung zu verringern.
Wie bereits ausgeführt, kann dem Drehmomentabfall, d. h. dem Abfall des Ladedruckes zu niedrigen Drehzahlen hin durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes entgegengewirkt werden. Bei Brennkraftmaschinen, denen eine Quantitätsregelung zugrunde liegt, muß dann aber mit zunehmender Last und dem damit verbundenen ansteigenden Ladeluftstrom prinzipbedingt eine zunehmend größere Menge Abgas an der Turbine des Abgasturboladers vorbeigeführt, d. h. abgeblasen werden.
Diese Regelstrategie führt bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise zu einer bedarfsgerechten Versorgung der in der Bypaßleitung angeordneten weiteren Turbine mit Abgas. Denn mit steigender Last müssen zunehmend größere Abgasmengen zurückgeführt und gekühlt werden, um auch bei hohen Lasten genügend hohe AGR-Raten zu realisieren, die für eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs erforderlich sind. Zu berücksichtigen ist weiter, dass die Abgastemperaturen mit zunehmender Last ebenfalls ansteigen.
Die Zunahme des abgeblasenen Abgasstroms mit steigender Last führt dazu, dass mit zunehmender Last mehr Abgas an der in der Bypaßleitung angeordneten Turbine bereitgestellt wird. D. h. die in der Bypaßleitung angeordnete Turbine nimmt auch mit steigender Last eine zunehmend höhere Abgasenergie auf. Dafür besteht gleichzeitig aber auch ein Bedarf von Seiten der Kühlmittelpumpe, welche die von der weiteren Turbine aufgenommene Abgasenergie für ihren Antrieb benötigt, um die vergleichsweise großen Abgasmengen durch Förderung von Kühlmittel kühlen zu können. Zu berücksichtigen ist des Weiteren, dass die Abgastemperatur und der Abgasdruck mit steigender Last ebenfalls zunehmen, was einerseits für ein sehr energiereiches Abgas an der weiteren Turbine sorgt, aber auch die erforderliche Kühlleistung nochmals erhöht.
Aus den zuvor genannten Gründen ist die Turbine des Abgasturboladers erfindungsgemäß auf kleine Abgasmassenströme ausgelegt, wobei mit steigender Last zunehmend Abgas via Bypaßleitung abgeblasen wird.
Die Last, bei der mit der Abgasabblasung begonnen wird, kann vorgegeben werden, beispielsweise als dimensionsloses Verhältnis mit der drehzahlabhängigen Nennlast als Bezugsgröße, und in der Motorsteuerung hinterlegt werden.
Eine kleiner dimensionierte Turbine ist aufgrund ihrer geringen Masse auch thermisch weniger träge. Der heiße Abgasstrom muß auf dem Weg zu den gegebenenfalls vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystemen die Turbine durchströmen und gibt dort insbesondere während der Warmlaufphase unter Absenkung der Abgastemperatur Wärme an die Turbine ab, so dass die Erwärmung der Turbine mit dazu beiträgt, dass die im Abgastrakt angeordneten Katalysatoren nur verzögert ihre Anspringtemperatur erreichen.
Kleiner dimensionierte Turbinen sind zudem weniger träge als größere Turbinen, weil das Laufzeug sich infolge des kleineren Massenträgheitsmoment schneller beschleunigen und verzögern läßt, wodurch sich auch das Ansprechverhalten der aufgeladenen Brennkraftmaschine verbessert.
Des Weiteren weisen kleinere Turbinen ein geringeres Gewicht und ein kleineres Bauvolumen auf, wodurch ein dichteres Packaging im Motorraum ermöglicht wird, insbesondere die gewünschte motornahe Anordnung der Turbine.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, die insbesondere mit einer Hochleistungskühlung zur Kühlung des rückzuführenden Abgases ausgestattet ist, deren Antrieb den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine so gering wie möglich beeinflußt d. h. verschlechtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Bypaßleitung stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers wieder in die dazugehörige Abgasleitung mündet und zwar stromaufwärts eines in der Abgasleitung gegebenenfalls vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass das gesamte Abgas einer Abgasnachbehandlung zugeführt wird und dies, ohne dass zusätzliche Abgasnachbehandlungssysteme zur Nachbehandlung des abgeblasenen Abgases vorgesehen werden müssen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypaßleitung Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms angeordnet sind, wobei das Mittel zur Steuerung des Abgasmassenstroms vorzugsweise ein Absperrelement, beispielsweise ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe oder dergleichen, ist.
Mit Hilfe des Absperrelementes wird der Strömungsquerschnitt der Bypaßleitung, in welcher die weitere Turbine angeordnet ist, verändert, wobei eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts zu einer Reduzierung des durch die weitere Turbine geleiteten Abgasmassenstromes führt. Ist hingegen eine erhöhte Kühlleistung erforderlich, weil die Last zunimmt und größere Abgasmengen zu kühlen sind, wird der Strömungsquerschnitt durch Betätigen bzw. Verstellen des Absperrelementes vergrößert, was zu einer Zunahme des durch die weitere Turbine geleiteten Abgasmassenstromes führt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Absperrelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels der Motorsteuerung der Brennkraftmaschine.
Das Absperrelement kann zweistufig schaltbar ausgeführt sein in der Art, dass es entweder vollständig geschlossen oder völlig geöffnet ist, was die Steuerung vereinfacht und insbesondere Kostenvorteile bietet. Vorzugsweise ist das Absperrelement aber stufenlos schaltbar, um einen sprunghaften Drehmomentabfall bzw. Drehmomentanstieg bei Betätigen des Absperrelements zu vermeiden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms stromabwärts der weiteren Turbine angeordnet sind. Dadurch wird verhindert, dass die Mittel die Abgasströmung stromaufwärts der weiteren Turbine d. h. im Anströmbereich der Laufschaufeln stören und auf diese Weise eine optimale Ausnutzung der Abgasenergie verhindern.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die weitere Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist und als Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms dient.
Eine variable Turbinengeometrie gestattet das Verstellen des wirksamen Turbinenquerschnitts. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet, die im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades nicht mit der Welle der Turbine rotieren.
Die Leitschaufeln sind zwar stationär, aber bei einer Turbine mit variabler Geometrie nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluß genommen und der wirksame Turbinenquerschnitt verstellt werden kann.
Ein separates Absperrelement wird damit entbehrlich, wenn die ohnehin bereits vorhandene weitere Turbine zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms genutzt wird.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts des Verdichters in die mindestens eine Ansaugleitung mündet. Diese Art der Abgasrückführung wird auch als Hochdruck-AGR bezeichnet.
Die Entnahme des rückzuführenden Abgases stromaufwärts der Turbine hat den Vorteil, dass der stromaufwärts der Turbine vorliegende hohe Abgasgegendruck das erforderliche Druckgefälle zwischen Abgasseite und Ansaugseite gewährleistet, welches zur Förderung des rückzuführenden Abgases erforderlich ist.
Andererseits ergibt sich bei gleichzeitiger Verwendung einer Abgasturboaufladung und einer Abgasrückführung grundsätzlich ein Konflikt, wenn das rückzuführende Abgas stromaufwärts der Turbine aus der Abgasleitung entnommen wird, denn mit Zunahme der Abgasrückführrate nimmt gleichzeitig der verbleibende der Turbine zugeführte Abgasstrom ab. Dieser kleinere Abgasmassenstrom durch die Turbine führt zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. Ladedruckverhältnis. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen. Auch insofern ist eine Auslegung der Turbine des Abgasturboladers auf kleine Abgasmengen, wie oben bereits ausgeführt und vorgeschlagen, vorteilhaft.
Die Einleitung des rückzuführenden Abgases in die Ansaugleitung stromabwärts des Verdichters hat den Vorteil, dass der Verdichter nicht mit Abgasbestandteilen kontaminiert wird, insbesondere nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen wird. Zudem entfällt die Beaufschlagung des Verdichters mit auch nach der Kühlung immer noch vergleichsweise heißem Abgas.
Vorteilhaft sind – auch aus einigen der zuvor genannten Gründe – Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus der zugehörigen Abgasleitung abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in die mindestens eine Ansaugleitung mündet. Diese Art der Abgasrückführung wird auch als Niederdruck-AGR bezeichnet.
Die Entnahme des rückzuführenden Abgases stromabwärts der Turbine hat den Vorteil, dass auch der rückzuführende Abgasmassenstrom zunächst der Turbine zwecks Energiegewinnung zugeführt wird, bevor das Abgas dann stromabwärts der Turbine entnommen und rückgeführt wird.
Das zur Förderung des rückzuführenden Abgases erforderliche Druckgefälle zwischen Abgasseite und Ansaugseite muß aber gegebenenfalls durch weitere Maßnahmen erst noch generiert werden, beispielsweise durch Anordnung eines Drosselelements in der Ansaugleitung und zwar stromaufwärts der Stelle, an der die Rückführleitung in die Ansaugleitung einmündet. Dies gewährleistet einen geringen Druck in der Ansaugleitung an der maßgeblichen Stelle und damit das erforderliche Druckgefälle zwischen Abgasseite und Ansaugseite.
Die Einleitung des rückzuführenden Abgases in die Ansaugleitung stromaufwärts des Verdichters hat den Vorteil, dass beim Durchströmen des Verdichters eine gute Durchmischung der angesaugten Frischluft mit dem rückgeführten Abgas stattfindet, was zu einer Homogenisierung der den Zylindern zugeführten Verbrennungsluft beiträgt. Dieser Effekt fördert die Stabilisierung des Verbrennungsprozesses durch eine reproduzierbare und vorhersehbare Gemischbildung.
Es sei angemerkt, dass eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine sowohl eine Niederdruck-AGR als auch eine Hochdruck-AGR aufweisen kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler vorgesehen ist. Der Ladeluftkühler senkt die Temperatur der Ladeluft und steigert damit die Luftdichte. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung des Brennraums beiträgt.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des Verdichters in die Ansaugleitung mündet, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung stromabwärts des Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht verschmutzen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung Mittel zur Einstellung der rückzuführenden Abgasmenge vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement als Mittel zur Einstellung der rückzuführenden Abgasmenge vorgesehen ist. Es wird Bezug genommen zu den in der Bypaßleitung vorgesehenen Mitteln zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms und den hinsichtlich dieser Mittel beschriebenen Ausführungsformen.
Das Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate. Mit dem Absperrelement kann die Abgasrückführung direkt gesteuert und auch völlig unterbunden werden.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

– mit steigender Last eine zunehmend größere Abgasmenge zurückgeführt wird, und/oder
– mit steigender Last eine zunehmend größere Abgasmenge via Bypaßleitung abgeblasen wird.

Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Dass gemäß dem ersten Verfahrensmerkmal mit steigender Last eine zunehmend größere Abgasmenge zurückgeführt wird, kann sowohl dahingehend ausgelegt werden, dass die rückgeführte Abgasmenge tatsächlich kontinuierlich mit steigender Last zunimmt, aber auch dahingehend, dass das Verfahrensmerkmal lediglich ein grundsätzliche Tendenz angibt. So könnte der funktionelle Zusammenhang zwischen Last und rückgeführter Abgasmenge auch einen treppenförmigen Verlauf aufweisen.
In beiden Fällen weist die Regressionsgrade des funktionellen Zusammenhanges zwischen Last und rückgeführter Abgasmenge eine positive Steigung auf.
Das zuvor Gesagte gilt in analoger Weise für den funktionellen Zusammenhang zwischen Last und abgeblasener Abgasmenge. Der Beginn der Abgasabblasung kann – gegebenenfalls drehzahlabhängig – vorgegeben werden, beispielsweise in der Art, dass bei Überschreiten einer bestimmten Last oder Abgasmenge mit dem Abblasen von Abgas begonnen wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zur Laststeuerung der Brennkraftmaschine eine Quantitätsregelung verwendet wird, da bei dieser Art von Brennkraftmaschine die Frischladung bzw. Abgasmenge mit steigender Last zunimmt und sich in vorteilhafter Weise Synergieeffekte einstellen, wenn bei hohen Lasten hohe Mengen an Abgas zurückgeführt und gekühlt werden sollen, um den Kraftstoffverbrauch in diesem Lastbereich zu senken.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen in der Bypaßleitung Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms angeordnet sind und diese Mittel zweistufig schaltbar sind in der Art, dass die Bypaßleitung entweder vollständig geschlossen oder geöffnet ist, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– bei niedrigen Lasten bzw. kleinen Abgasmengen die Mittel in der Art geschaltet werden, dass die Bypaßleitung vollständig geschlossen ist, und
– bei höheren Lasten bzw. großen Abgasmengen die Mittel in der Art geschaltet werden, dass die Bypaßleitung geöffnet ist.

Es können – gegebenenfalls drehzahlabhängig – eine Last und/oder eine Abgasmenge vorgegeben werden, bei denen die Mittel durch Schalten von einem ersten Schaltungszustand in einen zweiten Schaltungszustand zu überführen sind d. h. Abgas via Bypaßleitung anzublasen ist.
Bei Brennkraftmaschinen, bei denen in der Bypaßleitung Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms angeordnet sind und diese Mittel stufenlos schaltbar sind in der Art, dass ein mehr oder weniger großer Strömungsquerschnitt der Bypaßleitung freigegeben wird, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– mit steigender Last bzw. zunehmender Abgasmenge die Mittel in der Art betätigt werden, dass der Strömungsquerschnitt der Bypaßleitung vergrößert und eine zunehmend größere Abgasmenge via Bypaßleitung abgeblasen wird, und
– mit sinkender Last bzw. abnehmender Abgasmenge die Mittel in der Art betätigt werden, dass der Strömungsquerschnitt der Bypaßleitung verkleinert und eine zunehmend kleinere Abgasmenge via Bypaßleitung abgeblasen wird.

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen die in der Bypaßleitung angeordnete weitere Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist und als Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms dient, sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen

– bei niedrigen Lasten bzw. kleinen Abgasmengen die Geometrie der weiteren Turbine in der Art eingestellt wird, dass diese Turbine ihren kleinsten Strömungsquerschnitt aufweist, und
– mit zunehmender Last bzw. zunehmender Abgasmenge die Geometrie der weiteren Turbine in Richtung Querschnittvergrößerung verstellt wird, so dass der via Bypaßleitung abgeblasene und durch diese Turbine geleitete Abgasmassenstrom zunimmt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Herbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 am Beispiel eines Drei-Zylinder-Motors.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über drei Zylinder 3, eine Abgasleitung 4 zum Abführen der Abgase aus den Zylindern 3 und eine Ansaugleitung 2 zur Versorgung der Brennkraftmaschine 1 mit Frischluft bzw. Frischgemisch.
Die Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbolader 5 ausgestattet, der eine in der Abgasleitung 4 angeordnete Turbine 5a und einen in der Ansaugleitung 2 angeordneten Verdichter 5b umfaßt.
Des Weiteren verfügt die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 über eine Abgasrückführung 6, vorliegend über eine Niederdruck-AGR. Hierzu ist eine Leitung 7 zur Abgasrückführung 6 vorgesehen, die stromabwärts der Turbine 5a aus der Abgasleitung 4 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 5b in die Ansaugleitung 2 mündet.
In der Leitung 7 zur Abgasrückführung 6 ist eine kühlmittelbetriebene Kühlvorrichtung 8 zur Kühlung des rückzuführenden Abgases angeordnet. Eine Kühlmittelpumpe 9 dient zur Förderung des Kühlmittels, wobei der Antrieb der Kühlmittelpumpe 9 unter Ausnutzung eines abgeblasenen Abgasmassenstroms mittels einer weiteren Turbine 12 erfolgt.
Die weitere Turbine 12 ist in einer Bypaßleitung 10 angeordnet, die stromaufwärts der Turbine 5a des Abgasturboladers 5 aus der zugehörigen Abgasleitung 4 abzweigt und stromabwärts der Turbine 5a wieder in die Abgasleitung 4 einmündet.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform verfügt die in 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 über eine Hochdruck-AGR. Die Leitung 7 zur Abgasrückführung 6 zweigt stromaufwärts der Turbine 5a aus der Abgasleitung 4 ab und mündet stromabwärts des Verdichters 5b in die Ansaugleitung 2.
Bezugszeichenliste

1: aufgeladene Brennkraftmaschine
2: Ansaugleitung
3: Zylinder
4: Abgasleitung
5: Abgasturbolader
5a: Turbine
5b: Verdichter
6: Abgasrückführung
7: Rückführleitung
8: Kühlvorrichtung
9: Kühlmittelpumpe
10: Bypaßleitung
12: weitere Turbine
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1), der zur Laststeuerung eine Quantitätsregelung zugrunde liegt, mit – mindestens einer Ansaugleitung (2) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Frischluft bzw. Frischgemisch, – mindestens einem Zylinder (3), der mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung (4) zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (3) anschließt, – mindestens einem Abgasturbolader (5), der eine in der mindestens einen Abgasleitung (4) angeordnete Turbine (5a) und einen in der mindestens einen Ansaugleitung (2) angeordneten Verdichter (5b) umfaßt, wobei eine Leitung (7) zur Abgasrückführung (6) vorgesehen ist, die aus der Abgasleitung (4) abzweigt und in die mindestens eine Ansaugleitung (2) mündet, und – einer kühlmittelbetriebenen Kühlvorrichtung (8) zur Kühlung des rückzuführenden Abgases, welche eine Kühlmittelpumpe (9) zur Förderung des Kühlmittels umfaßt, bei der – die Turbine (5a) des Abgasturboladers (5) auf kleine Abgasmassenströme ausgelegt ist, und – eine Bypaßleitung (10) vorgesehen ist, die stromaufwärts der Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) aus der zugehörigen Abgasleitung (4) abzweigt, wobei in der Bypaßleitung (10) eine weitere Turbine (12) angeordnet ist, die dem Antrieb der Kühlmittelpumpe (9) unter Ausnutzung des via Bypaßleitung (10) abgeblasenen Abgasmassenstroms dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (10) stromabwärts der Turbine (5a) des Abgasturboladers (5) wieder in die dazugehörige Abgasleitung (4) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypaßleitung (10) Mittel zur Steuerung des abgeblasenen Abgasmassenstroms angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel stromabwärts der weiteren Turbine (12) angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Abgasrückführung (6) stromaufwärts der Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) aus der Abgasleitung (4) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (5b) in die mindestens eine Ansaugleitung (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (7) zur Abgasrückführung (6) stromabwärts der Turbine (5a) des mindestens einen Abgasturboladers (5) aus der zugehörigen Abgasleitung (4) abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (5b) in die mindestens eine Ansaugleitung (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (5b) ein Ladeluftkühler vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (7) zur Abgasrückführung (6) Mittel zur Einstellung der rückzuführenden Abgasmenge vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mit steigender Last eine zunehmend größere Abgasmenge zurückgeführt wird, und/oder – mit steigender Last eine zunehmend größere Abgasmenge via Bypaßleitung abgeblasen wird.