DE102009005285A1

DE102009005285A1 - Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009005285A1
Application number: DE102009005285A
Authority: DE
Inventors: Cornel Ehrhard
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: DE102009005285B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (12, 14), deren Turbinen (16, 26) hintereinander in eine Abgasleitung (28) eingeschaltet sind, wobei die erste Turbine (16) über eine Umgehungsleitung (30) mit einer Abgasregelklappe (32) kurzschließbar ist, sowie mit einer Ladedruckleitung (34, 36), in die die Verdichter (22, 42) der beiden Abgasturbolader (12, 14) Verbrennungsluft fördern, wobei der Verdichter (22) des ersten Abgasturboladers (12) über eine Bypassleitung (46) umgehbar ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Ladedruckleitung (36) stromab des ersten Verdichters (22) und stromauf der zweiten Turbine (26) eine durch ein Abblasventil (52) gesteuerte Umluftleitung (5) vorgesehen, wobei das Abblasventil (52) abhängig von definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (10) gesteuert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Im Oberbegriff des Hauptanspruchs wird ausgegangen von einer Brennkraftmaschine mit einer sogenannten zweistufigen Abgasturboaufladung, bei der einer Gruppe von Zylindern oder allen Zylindern ein erster, im Schluckvermögen kleinerer Abgasturbolader und ein dahinter angeordneter, größerer Abgasturbolader zugeordnet sind, die die Aufladung der Brennkraftmaschine bewirken. Die Auslegung der beiden Abgasturbolader ist dabei so, dass der kleinere Abgasturbolader schon bei relativ niedrigen Drehzahlen und/oder Lastbereichen ansprechen und Ladedruck erzeugen soll, während der größere Abgasturbolader die Maximallast bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine abdecken soll, bei der der kleinere Abgasturbolader über eine Umgehungsleitung mit einer Abgasregelklappe abgeschaltet ist und somit von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung nur über den größeren Abgasturbolader übergegangen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die unter Verwendung einfacher Mittel einen besonders günstigen, ladedruckstabilen Übergang von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung ermöglicht, wobei die Abgasturbolader auf eine hohe Förderleistung im gesamten Fahrbetrieb auslegbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zwischen der Ladedruckleitung stromab des Verdichters des ersten Abgasturboladers und stromauf der zweiten Turbine eine durch ein Abblasventil aufsteuerbare Umluftleitung vorgesehen ist, wobei das Abblasventil abhängig von definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine gesteuert ist. Durch diese Maßnahme gelingt es, den Ladedruck über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zu vergleichmäßigen und in Betriebszuständen, in denen über den ersten Abgasturbolader ein ausreichender Ladedruck vorhanden ist, durch Abblasen verdichteter Verbrennungsluft in die Umgehungsleitung beziehungsweise vor die Turbine des zweiten, nachgeschalteten Abgasturboladers dessen Förderleistung zu erhöhen. Dies hat u. a. den Vorteil, dass der zweite Abgasturbolader früher einsetzt und einen kontinuierlichen Ladedruckverlauf sicherstellt. Der zweite Abgasturbolader kann dadurch auf eine höhere Maximalförderleistung ausgelegt werden.
Besonders vorteilhaft kann das Abblasventil in der Umluftleitung zumindest im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung über den ersten und den zweiten Abgasturbolader zur einstufigen Aufladung über den zweiten Abgasturbolader geöffnet sein. Dadurch kann der Ladedruckverlauf im Übergangsbereich so geglättet werden, dass im Fahrbetrieb keine Beschleunigungsunterschiede spürbar sind und ein nahezu übergangsloser Einsatz des zweiten Abgasturboladers gegeben ist.
Insbesondere kann die Umluftleitung stromab der Abgasregelklappe in die Umgehungsleitung münden und somit größere Freiheitsgrade in den steuerungstechnischen Möglichkeiten der Ladedrucksteuerung bewirken.
In bevorzugter Weise kann ferner das Abblasventil in der Umluftleitung abhängig vom Druckverlauf stromab der Turbine des ersten Abgasturboladers und vor der Turbine des zweiten Abgasturboladers dann geöffnet sein, wenn ein ausreichendes Druckgefälle gegeben ist.
Des Weiteren kann das Abblasventil zusätzlich abhängig von der Betriebsstellung der Abgasregelklappe in der Umgehungsleitung gesteuert sein und bei geschlossener Abgasregelklappe den Ladedruck in der Ladedruckleitung steuern. Insbesondere im unteren bis mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine und bei Volllastbetrieb kann somit das Abblasventil zusätzlich als Ladedruckregelorgan eingesetzt sein.
Die Turbine des ersten Abgasturboladers kann in an sich bekannter Weise eine variable Turbinengeometrie aufweisen, wobei das Abblasventil in der Umluftleitung erst nach vollständigem Aufsteuern des Durchströmquerschnittes der variablen Turbinengeometrie geöffnet wird. Das heißt, dass zunächst die Förderleistung des ersten Abgasturbolader durchfahren wird und erst anschließend durch Aufsteuern des Abblasventiles in der Umluftleitung der zweite Abgasturbolader vermehrt angeströmt und in seiner Förderleistung hochgefahren wird.
Ferner kann in der Ladeluftleitung eine den ersten Verdichter umgehende Bypassleitung vorgesehen sein, die über ein Bypassventil gesteuert ist, wobei mit dem Öffnen des Bypassventiles das Abblasventil in die Schließstellung gesteuert wird. Dies stellt sicher, dass bei im Wesentlichen einstufiger Aufladung nunmehr über den zweiten Abgasturbolader keine den Ladedruck verringernde, unzweckmäßige Kurzschlussströmung erfolgt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann in die Abgasleitung stromab der ersten Turbine ein Kraftstoffeindüsungssystem eingeschaltet sein, das zumindest im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung Kraftstoff in die Abgasleitung eindüst und somit in noch vermehrtem Umfange zur einer übergangslosen Ladedruckkurve beziehungsweise zu einem noch früherem Einsetzen der zweiten Abgasturbine beiträgt. Der Kraftstoff bewirkt ähnlich einem Nachbrenner eine beträchtliche Anhebung der Abgasenergie stromauf der Turbine des zweiten Abgasturbolader.
Dieser Effekt kann dadurch weiter verstärkt werden, das in die Abgasleitung stromab der ersten Turbine zudem ein Oxidationskatalysator eingeschaltet ist, der mit dem eingespritzten Kraftstoff katalytisch reagiert und die Abgasenergie weiter anhebt. Der Oxidationskatalysator ist bevorzugt stromab des Kraftstoffeindüsungssystems in die Abgasleitung integriert.
Schließlich kann in alternativer Ausgestaltung bei einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume der Kraftstoff im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung durch Nacheinspritzung während des Ausstoßtaktes in die Abgasleitung eingebracht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
1 als Blockschaltbild eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zweistufiger Abgasturboaufladung, mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, mit einer die Turbine des ersten Abgasturbolader kurzschließenden Umgehungsleitung und einer zwischen die Ladedruckleitung und die Umgehungsleitung eingeschalteten Umluftleitung mit einem Abblasventil; und
2 den Ladedruckverlauf über der Drehzahl und bei Volllast der Brennkraftmaschine bei der Vorrichtung nach 1 und bei zweistufiger und einstufiger Aufladung.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur zweistufigen Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine 10 mit mehreren Zylindern, die einen ersten, kleineren Abgasturbolader 12 und einen abgasseitig nachgeschalteten zweiten, größeren Abgasturbolader 14 aufweist.
Die eine variable Turbinengeometrie an sich bekannter Art aufweisende erste Turbine 16 ist an eine erste Abgasleitung 18 angeschlossen und treibt über eine Welle 20 den Verdichter 22 des ersten Abgasturboladers 12 an.
Der Turbinenauslass der ersten Turbine 16 mündet in eine zweite Abgasleitung 24, die an die Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14 angeschlossen ist. Der Turbinenauslass der Turbine 26 ist über eine das Abgas abführende Leitung 28 mit dem weiteren, nicht dargestellten Abgassystem der Brennkraftmaschine 10 beziehungsweise des Kraftfahrzeuges verbunden.
Von der ersten Abgasleitung 18 zweigt eine Umgehungsleitung 30 ab, die unter Umgehung der Turbine 16 des ersten Abgasturboladers 12 in die zweite Abgasleitung 24 mündet. In der Umgehungsleitung 30 ist eine Abgasregelklappe 32 vorgesehen, die den Durchströmquerschnitt der Umgehungsleitung steuert.
Die Versorgung der Brennkraftmaschine 10 mit Verbrennungsluft erfolgt über eine erste Ladedruckleitung 34 und eine zweite Ladedruckleitung 36. In die zweite Ladedruckleitung 36 ist ein Ladeluftkühler 38 eingeschaltet.
Dabei saugt der von der Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14 über eine Welle 40 angetriebene Verdichter 42 gefilterte Verbrennungsluft über eine Leitung 44 an und drückt diese in die erste Ladedruckleitung 34, die mit dem ersten Verdichter 22 verbunden ist.
Der erste Verdichter 22 fördert die vorkomprimierte Verbrennungsluft über die Ladedruckleitung 36 und den Ladeluftkühler 38 (z. B. ein Wasserkühler) zur Brennkraftmaschine 10.
Zwischen den beiden Ladedruckleitungen 34, 36 ist eine den Verdichter 22 des ersten Abgasturboladers 12 kurzschließende Bypassleitung 46 vorgesehen, deren Durchströmquerschnitt mittels eines Bypassventiles 48 gesteuert ist.
Ferner zweigt von der zweiten Ladedruckleitung 36 stromab des Verdichters 22 eine Umluftleitung 50 ab, in der ein deren Durchströmquerschnitt steuerndes Abblasventil 52 vorgesehen ist und die mit der Umgehungsleitung 30 stromab der Abgasregelklappe 32 verbunden ist.
In der zweiten Abgasleitung 24 ist ein nur angedeutetes Kraftstoff-Eindüsungssystem 54 ähnlich einem Nachbrenner und stromab dazu ein Oxydationskatalysator 56 angeordnet, die beide wie ersichtlich ist stromauf der Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14 positioniert sind.
Das Kraftstoff-Eindüsungssystem 54 (mit einer entsprechend ausgeführten Einspritzdüse), die Abgasregelklappe 32, das Bypassventil 48 und das Abblas ventil 52 sind elektrisch betätigt und an ein nicht dargestelltes, elektronisches Motorsteuergerät angeschlossen und wie nachstehend beschrieben aktiviert:
Im unteren Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine 10 ist die Abgasregelklappe 32 in der Umgehungsleitung 30 geschlossen, so dass der gesamte Abgasmassenstrom über die Turbine 16 des ersten (Hochdruck-)Abgasturboladers 12 und die Turbine 26 des zweiten (Niederdruck-)Abgasturboladers 14 geleitet wird. Dabei wird zudem in nicht dargestellter Weise die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 auf den errechneten Abgasmassenstrom zur Erzielung eines optimalen Ansprechverhaltens des ersten Abgasturboladers 12 eingestellt.
Des Weiteren sind das Bypassventil 48 in der Bypassleitung 46 und das Abblasventil 52 in der Umluftleitung 50 geschlossen. Die über den zweiten Verdichter 42 vorkomprimierte Verbrennungsluft strömt mit einem über den ersten Verdichter 22 erhöhten Ladedruck p zur Brennkraftmaschine 10.
In diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 liegt demzufolge eine zweistufige Aufladung vor.
Mit steigender Lastanforderung der Brennkraftmaschine 10 (z. B. bei Beschleunigen des Kraftfahrzeuges) steigt der Abgasmassenstrom auf ein das Schluckvermögen des ersten, kleineren Abgasturboladers 12 übersteigendes Maß an, wodurch von der zweistufigen Aufladung sukzessive in eine einstufige Aufladung über den zweiten, größeren Abgasturbolader 14 übergegangen wird.
Dazu wird in einem ersten Schritt die Abgasregelklappe 32 angesteuert und die Umgehungsleitung 30 wird zur Umgehung der Turbine 16 des ersten Abgasturboladers 12 geöffnet.
Um dabei einen unerwünschten Ladedruckabfall zu vermeiden, wird das Abblasventil 52 in der Umluftleitung 50 aufgesteuert, so dass Verbrennungsluft aus der Ladedruckleitung 36 in die Umgehungsleitung 30 und von dort in die Abgasleitung 24 stromauf der Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14 überströmen kann. In diesem Betriebszustand dient das Abblasventil 52 zugleich als Ladedruckregelorgan. Es stellt somit sicher, dass jeweils nur Verbrennungsluft in einem definierten Maße ohne unzulässiges Absinken des Ladedruckes in der Ladedruckleitung 36 erfolgt.
Ferner wird über das Kraftstoff-Eindüsungssystem 54 Kraftstoff in das heiße, mit Verbrennungsluft vermischte Abgas eingespritzt, der mit dem stromab liegenden Oxydationskatalysator 56 reagiert und die Abgasenergie stromauf der Turbine 26 beträchtlich erhöht, wodurch auch das Ansprechverhalten und die Förderleistung des Verdichters 42 des zweiten Abgasturbolader 14 entsprechend gesteigert sind.
Bei einer ausreichenden Förderleistung des Verdichters 42 des zweiten Abgasturboladers 14 öffnet zunehmend das Bypassventil 48 in der Bypassleitung 46, während das Abblasventil 52 in der Umluftleitung 50 geschlossen wird. Ferner wird die Kraftstoffeindüsung über das System 54 abgeschaltet. Damit ist der Übergangsbereich in der Aufladung der Brennkraftmaschine 10 abgeschlossen und es liegt eine nur noch einstufige Aufladung über den zweiten Abgasturbolader 14 vor.
Die 2 veranschaulicht die Druckverläufe p vor den Turbinen 16, 26 und nach den Verdichtern 22, 42 der beiden Abgasturbolader 12, 14, die über entsprechende Drucksensoren (nicht dargestellt) ermittelt und in dem besagten, elektronischen Motorsteuergerät entsprechend dem vorbeschriebenen Ablauf ausgewertet und verarbeitet werden.
Das dargestellte Diagramm zeigt den Druckverlauf p über der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 bei Volllast, wobei die rechte Seite des Diagrammes (rechts der gestrichelten Linie 58) die zweistufige Aufladung und die linke Seite die einstufige Aufladung wiedergibt.
Dabei beschreibt die Kurve p3 den Abgasdruck vor der Turbine 16 des ersten Abgasturboladers 12, die Kurve p31 den Abgasdruck vor der Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14, die Kurve p2 den Ladedruck in der Ladedruckleitung 36 und die Kurve p21 den Ladedruck in der Ladedruckleitung 34.
Ein bevorzugtes Abblasen der Verbrennungsluft erfolgt in dem schraffierten Bereich des Diagrammes beziehungsweise im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung über beide Abgasturbolader 12, 14 in die einstufige Aufladung, wobei das vorliegende Druckgefälle zwischen p2 (Ladedruck in der Ladedruckleitung 36) und p31 (Abgasdruck vor der Turbine 26 des zweiten Abgasturboladers 14) genutzt wird, um einen konstanten Übergang in den Ladedruckkurven p2 und p21 zu erreichen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die beschriebene Vorrichtung auch ohne Kraftstoff-Eindüsungssystem 54 und/oder ohne Oxydationskatalysator 56 eingesetzt sein.
Anstelle des Kraftstoff-Eindüsungssystems 54 kann kurzfristig der Kraftstoff auch über das reguläre Kraftstoff-Einspritzsystem durch entsprechende Nacheinspritzung in den jeweiligen Ausstoßtakt im Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine 10 eingebracht sein.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (12, 14), deren Turbinen (16, 26) hintereinander in eine Abgasleitung (28) eingeschaltet sind, wobei die erste Turbine (16) über eine Umgehungsleitung (30) mit einer Abgasregelklappe (32) kurzschließbar ist, sowie mit einer Ladedruckleitung (34, 36), in die die Verdichter (22, 42) der beiden Abgasturbolader (12, 14) Verbrennungsluft fördern, wobei der Verdichter (22) des ersten Abgasturboladers (12) über eine Bypassleitung (46) umgehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladedruckleitung (36) stromab des ersten Verdichters (22) und stromauf der zweiten Turbine (26) eine durch ein Abblasventil (52) gesteuerte Umluftleitung (50) vorgesehen ist, wobei das Abblasventil (52) abhängig von definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine (10) gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abblasventil (52) in der Umluftleitung (50) zumindest im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung über den ersten und den zweiten Abgasturbolader (12, 14) zur einstufigen Aufladung über den zweiten Abgasturbolader (14) geöffnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umluftleitung (50) stromab der Abgasregelklappe (32) stromauf der zweiten Turbine (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abblasventil (52) in der Umluftleitung (50) abhängig vom Druckverlauf (p2) stromab des Verdichters (22) des ersten Turboladers (12) und vom Druck (p31) vor der Turbine (26) des zweiten Abgasturboladers (14) dann geöffnet ist, wenn ein ausreichendes Druckgefälle (2, schraffierter Bereich) gegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abblasventil (52) zusätzlich abhängig von der Betriebsstellung der Abgasregelklappe (32) in der Umgehungsleitung (30) gesteuert ist und bei geschlossener Abgasregelklappe (32) den Ladedruck in der Ladedruckleitung (36) steuert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (16) des ersten Abgasturboladers (12) eine variable Turbinengeometrie aufweist und dass das Abblasventil (52) in der Umluftleitung (50) erst nach vollständigem Aufsteuern des Durchströmquerschnittes der variablen Turbinengeometrie geöffnet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ladeluftleitung (34, 36) eine den Verdichter (22) des ersten Abgasturboladers (12) umgehende Bypassleitung (46) vorgesehen ist, die über ein Bypassventil (48) gesteuert ist, wobei mit dem Öffnen des Bypassventiles (48) das Abblasventil (52) in die Schließstellung gesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (24) stromab der ersten Turbine (16) ein Kraftstoffeindüsungssystem (54) eingeschaltet ist, das zu mindest im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung Kraftstoff in die Abgasleitung (24) eindüst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (24) stromab der ersten Turbine (16) ein Oxidationskatalysator (56) eingeschaltet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (56) stromab des Kraftstoffeindüsungssystem (54) in die Abgasleitung (24) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine (10) mit Kraftstoffeinspritzung in die Brennräume der Kraftstoff im Übergangsbereich von der zweistufigen Aufladung in die einstufige Aufladung durch Nacheinspritzung während des Ausstoßtaktes in die Abgasleitung (18) eingebracht wird.