DE102009006359A1

DE102009006359A1 - Vorrichtung und Verfahren zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102009006359A1
Application number: DE102009006359A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Brauer; Matthias Diezemann; Thorsten Seglitz
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: DE102009006359B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors (1). Der Verbrennungsmotor (1) ist mittels einer Hochdruckstufe (2) und/oder mittels einer Niederdruckstufe (3) aufladbar. Ein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors (1) ist entweder mittels einer Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) oder mittels einer Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) einem Frischluftmassenstrom zuführbar. Eine Auswahl der Aufladung und Abgasrückführung erfolgt mittels Ventilen (8, 10, 12, 13, 15, 17, 19, 21, 22 und 25).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors. Der Verbrennungsmotor ist mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe aufladbar. Ein Abgasmassenstrom kann mittels einer Hochdruckabgasrückführung sowie einer Niederdruckabgasrückführung einem Frischluftmassenstrom zugeführt werden.
Stand der Technik
Aus der WO 2007/098133 A1 ist eine zweistufige Abgasturboaufladung mit seriell angeordneter Hochdruck- und Niederdruckstufe sowie einer Hochdruck- und Niederdruck-Abgasrückführung bekannt. Sowohl die Hochdruckturbine als auch die Niederdruckturbine weisen jeweils eine Bypassleitung auf. Weiterhin weist der Hochdruckverdichter eine Bypassleitung auf, um einem Betrieb außerhalb einer Stopfgrenze vorzubeugen. Mittels der zweistufigen Abgasturboaufladung ist ein serieller Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe sowie ein alleiniger Betrieb der Niederdruckstufe realisierbar.
Aufgrund des alleinigen Betriebs der Niederdruckstufe am Nennleistungspunkt ist bei dem angesprochenen System eine Auslegung der Niederdruckstufe auf hohe Durchsätze erforderlich. Aufgrund dieser Tatsache kann die mit der Zweistufigkeit bezweckte Anhebung der Ladedrücke jedoch nicht bei sehr niedrigen Motordrehzahlen realisiert werden, da hier lediglich die Hochdruckstufe in ihrem Förderverhalten anspricht. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei Motorkonzepten mit hoher spezifischer Leistung auf, da hier eine besonders große Spreizung der Frischluft- und Abgasmassenströme von der Aufladegruppe gefordert wird.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige Abgasturboaufladung bereitzustellen, welche eine verbesserte Strategie bezüglich einer Aufladung und Abgasrückführung gewährleistet.
Lösung der Aufgabe
Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mittels eines Verfahrens gemäß Anspruch 5 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Der Verbrennungsmotor ist mittels einer Hochdruckstufe und/oder mittels einer Niederdruckstufe aufladbar, so dass vier verschiedene Betriebsmodi realisierbar sind:

1) alleiniger Betrieb der Hochdruckstufe;
2) alleiniger Betrieb der Niederdruckstufe;
3) gemeinsamer Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe in serieller Anordnung;
4) gemeinsamer Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe in paralleler Anordnung.

Ein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors ist entweder mittels einer Hochdruck-Abgasrückführleitung oder mittels einer Niederdruck-Abgasrückführleitung einem Frischluftmassenstrom zuführbar.
Eine Auswahl der Aufladung und Abgasrückführung erfolgt mittels Ventilen, die abhängig vom Betriebsmodus geöffnet oder geschlossen werden.
Von einem alleinigen Betrieb mittels der Hochdruckstufe kann in einen seriellen Betrieb der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe gewechselt werden.
Von einem seriellen Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe kann entweder in den alleinigen Betrieb der Hochdruckstufe oder in den alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe gewechselt werden.
Von einem alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe kann entweder in einen seriellen Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe oder in einen parallelen Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe gewechselt werden.
Von einem parallelen Betrieb der Hoch- und Niederdruckstufe kann in einen alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe gewechselt werden.
Mittels der verschiedenen Betriebsmodi ist ein Betrieb der Turbinen sowie der Verdichter in wirkungsgradoptimalen Kennfeldbereichen möglich, so dass ein sog. Downsizingpotential genutzt und bei gleichbleibenden Fahrleistungen ein Kraftstoffverbrauchsvorteil realisierbar ist.
Für ein verbessertes Anfahrverhalten kann lediglich die Hochdruckstufe betrieben werden, welche vorteilhafterweise für geringe Massenströme dimensioniert ist.
Bei einem Übergang von einem Teillastbetrieb in serieller Anordnung in einen Volllastbetrieb in paralleler Anordnung kann vorteilhafterweise ein alleiniger Betrieb der Niederdruckstufe erfolgen, so dass ein Betrieb des Verdichters der Hochdruckstufe nahe der Stopfgrenze sowie ein Betrieb des Verdichters der Niederdruckstufe nahe der Pumpgrenze vermieden wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ventile, die in der Frischluftleitung und in der Abgasleitung zwischen der Hochdruckstufe und der Niederdruckstufe angeordnet sind, zwischen den beiden Zuständen „vollständig geöffnet” und „vollständig geschlossen” umschaltbar. Der hierdurch erzielbare Vorteil liegt in einer geringeren Komplexität bei der Regelung des Systems und in geringeren Bauteilkosten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die in den Umgehungsleitungen angeordneten Ventile stufenlos zwischen den Zuständen „vollständig geöffnet” und „vollständig geschlossen” regelbar. Der hierdurch erzielbare Vorteil liegt in der Vermeidung von Über- und Unterschwingern von Ladedruck und Abgasrückführrate bei der Umschaltung der Betriebsarten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann innerhalb einer Aufladebetriebsart (alleiniger Betrieb mittels Hoch- oder Niederdruckstufe, gemeinsamer serieller oder paralleler Betrieb) ein gleichzeitiger Betrieb der Hoch- und Niederdruckabgasrückführung erfolgen. Vor einem Übergang von einer Aufladebetriebsart in eine andere Aufladebetriebsart kann vorteilhafterweise ein alleiniger Betrieb der Hochdruckabgasrückführung in einer (Volllast-)Beschleunigungsphase sowie ein alleiniger Betrieb der Niederdruckabgasrückführung in einer Verzögerungsphase erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform wird für eine Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Erhöhung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, der Verbrennungsmotor zuerst seriell, dann alleinig mittels der Niederdruckstufe und anschließend parallel aufgeladen.
In einer weiteren Ausführungsform wird für eine Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Erhöhung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, der Verbrennungsmotor zuerst alleinig mittels der Hochdruckstufe, dann seriell, sodann alleinig mittels der Niederdruckstufe und anschließend parallel aufgeladen.
In einer weiteren Ausführungsform wird bei einer Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Erhöhung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, innerhalb einer Aufladebetriebsart das Ventil der Hochdruck-Abgasrückführleitung zugunsten höherer Hochdruck-AGR-Raten weiter geöffnet und das Ventil der Niederdruck-Abgasrückführleitung zugunsten geringerer Niederdruck-AGR-Raten weiter geschlossen.
In einer weiteren Ausführungsform wird bei einer Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Erhöhung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, bei einem Wechsel der Aufladebetriebsart an einer der Umschaltkennlinien das Ventil der Hochdruck-Abgasrückführleitung zugunsten niedrigerer Hochdruck-AGR-Raten weiter geschlossen und das Ventil der Niederdruck-Abgasrückführleitung zugunsten höherer Niederdruck-AGR-Raten weiter geöffnet.
In einer weiteren Ausführungsform wird bei einer Reduzierung des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Verringerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, innerhalb einer Aufladebetriebsart das Ventil der Hochdruck-Abgasrückführleitung zugunsten niedrigerer Hochdruck-AGR-Raten weiter geschlossen und das Ventil der Niederdruck-Abgasrückführleitung zugunsten höherer Niederdruck-AGR-Raten weiter geöffnet.
In einer weiteren Ausführungsform wird bei einer Reduzierung des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor, wie z. B. bei einer Verringerung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, bei einem Wechsel der Aufladebetriebsart an einer der Umschaltkennlinien das Ventil der Hochdruck-Abgasrückführleitung zugunsten höherer Hochdruck-AGR-Raten weiter geöffnet und das Ventil der Niederdruck-Abgasrückführleitung zugunsten niedrigerer Niederdruck-AGR-Raten weiter geschlossen.
Mittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens liegen die Betriebspunkte der Verdichter der Hoch- und Niederdruckstufe in günstigen Wirkungsgradbereichen.
Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: ein Diagramm der Verdichterkennfelder;
3: ein weiteres Diagramm der Verdichterkennfelder;
4: ein weiteres Diagramm der Verdichterkennfelder;
5: ein qualitatives Kennfeld der Betriebsmodi.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Verbrennungsmotor 1 ist mit einer Hochdruckstufe 2, bestehend aus einem Verdichter 2.1 und einer Turbine 2.2, und einer Niederdruckstufe 3, bestehend aus einem Verdichter 3.1 und einer Turbine 3.2 mit variabler Turbinengeometrie, aufladbar.
Durch eine Frischluftleitung 4 strömt Frischluft in Richtung eines Pfeils A zu dem Verbrennungsmotor 1.
Über eine Abgasleitung 5 strömt Abgas in Richtung eines Pfeils B vom Verbrennungsmotor 1 weg.
Der Verdichter 2.1 der Hochdruckstufe 2 ist stromabwärts, d. h. in Richtung des Pfeils A, des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 in der Frischluftleitung 4 angeordnet. Die Turbine 2.2 der Hochdruckstufe 2 ist stromaufwärts, d. h. entgegen der Richtung des Pfeils B, der Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 in der Abgasleitung 5 angeordnet.
Eine Hochdruck-Abgasrückführleitung 6 zweigt stromaufwärts der Turbinen 2.2 und 3.2 von der Abgasleitung 5 ab und mündet stromabwärts der Verdichter 2.1 und 3.1 in die Frischluftleitung 4 ein.
Eine Niederdruck-Abgasrückführleitung 7 zweigt stromabwärts der Turbinen 2.2 und 3.2 von der Abgasleitung 5 ab und mündet stromaufwärts der Verdichter 2.1 und 3.1 in die Frischluftleitung 4 ein.
In der Frischluftleitung 4 ist ein Ventil 8 stromabwärts des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 und stromaufwärts des Verdichters 2.1 der Hochdruckstufe 2 angeordnet.
Der Verdichter 2.1 der Hochdruckstufe 2 ist mittels einer Umgehungsleitung 9, die ein Ventil 10 umfasst, umgehbar. Die Umgehungsleitung 9 zweigt stromabwärts des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 und stromaufwärts des Ventils 8 von der Frischluftleitung 4 ab und mündet stromabwärts des Verdichters 2.1 der Hochdruckstufe 2 wieder in die Frischluftleitung 4 ein.
Der Verdichter 3.1 der Niederdruckstufe 3 ist mittels einer Umgehungsleitung 11, die ein Ventil 12 umfasst, umgehbar. Die Umgehungsleitung 11 zweigt stromaufwärts des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 von der Frischluftleitung 4 ab und mündet stromabwärts des Ventils 8 und stromaufwärts des Verdichters 2.1 der Hochdruckstufe 2 wieder in die Frischluftleitung 4 ein.
In der Abgasleitung 5 ist ein Ventil 13 stromabwärts der Turbine 2.2 der Hochdruckstufe 2 und stromaufwärts der Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 angeordnet.
Die Turbine 2.2 der Hochdruckstufe 2 ist mittels einer Umgehungsleitung 14, die ein Ventil 15 umfasst, umgehbar. Die Umgehungsleitung 14 zweigt stromaufwärts der Turbine 2.2 der Hochdruckstufe 2 von der Abgasleitung 5 ab und mündet stromabwärts des Ventils 13 und stromaufwärts der Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 wieder in die Abgasleitung 5 ein.
Die Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 ist mittels einer Umgehungsleitung 16, die ein Ventil 17 umfasst, umgehbar. Die Umgehungsleitung 16 zweigt stromabwärts der Turbine 2.2 der Hochdruckstufe 2 und stromaufwärts des Ventils 13 von der Abgasleitung 5 ab und mündet stromabwärts der Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 wieder in die Abgasleitung 5 ein.
Die Frischluftleitung 4 umfasst stromabwärts des Verdichters 2.1 der Hochdruckstufe 2 und stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung 9 einen Ladeluftkühler 18. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 18 ist in der Frischluftleitung 4 ein Ventil 19 angeordnet.
Stromabwärts der Turbine 3.2 der Niederdruckstufe 3 und stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung 16 ist in der Abgasleitung 5 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 20, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter, angeordnet.
Weiterhin umfasst die Abgasleitung 5 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 ein Ventil 21.
Die Hochdruck-Abgasrückführleitung 6 umfasst ein Ventil 22 und stromabwärts des Ventils 22 einen Abgaskühler 23.
Die Niederdruck-Abgasrückführleitung 7 zweigt stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 und stromaufwärts des Ventils 21 von der Abgasleitung 5 ab und mündet stromaufwärts des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 und stromaufwärts der Abzweigung der Umgehungsleitung 11 in die Frischluftleitung 4 ein. Die Niederdruck-Abgasrückführleitung 7 umfasst einen Abgaskühler 24 und stromabwärts des Abgaskühlers 24 ein Ventil 25.
In 2 sind die Kennfelder der Verdichter 2.1 und 3.1 dargestellt, die verschiedene volllastnahe Betriebspunkte H1 bis H5, H11 bis H21 und N3 bis N21 einer Aufladestrategie für eine Volllastbeschleunigung des Verbrennungsmotors 1 in einem langen Gang beinhalten.
In jedes Kennfeld ist eine Linie optimaler Wirkungsgrade η_2.1 und η_3.1 eingetragen. Je geringer der Abstand eines Betriebspunkts H1 bis H5, H11 bis H21 und N3 bis N21 von dieser Linie η_2.1 und η_3.1 ist, desto optimaler wird der jeweilige Verdichter 2.1, 3.1 betrieben.
Für den Start der Beschleunigung wird der Verbrennungsmotor 1 mit der Hochdruckstufe 2 aufgeladen. Dabei sind die Ventile 8, 10, 13 und 15 geschlossen, so dass keine Strömung über die Niederdruckstufe 3 erfolgt. Die Ventile 12 und 17 sind vollständig geöffnet. Durch eine vergleichsweise klein dimensionierte Hochdruckstufe 2 wird ein schneller Ladedruckaufbau bei noch relativ geringen Massenströmen ṁ ermöglicht (siehe Betriebspunkte H1 und H2).
Vor dem Erreichen der Stopfgrenze des Verdichters 2.1 der Hochdruckstufe 2 wird auf einen seriellen Betrieb der Hochdruckstufe 2 und der Niederdruckstufe 3 umgeschaltet. Dabei werden zunächst die Ventile 8 und 13 geöffnet. Diese Ventile 8 und 13 können als schaltbare Ventile mit den beiden Positionen „geöffnet” und „geschlossen” ausgeführt werden. Zur Umschaltung in den seriellen Betrieb werden dann die beispielsweise als regelbare Ventile ausgebildeten Ventile 12 und 17 langsam geschlossen, so dass eine Strömung durch die Niederdruckstufe 3 forciert wird.
Nach erfolgter Umschaltung in den seriellen Betrieb sind dann die Ventile 10, 12, 15 und 17 geschlossen und die Ventile 8 und 13 sind geöffnet. In diesem Betriebsmodus wird dann der erforderliche Ladedruck durch die Multiplikation der Ladedrücke der einzelnen Stufen (Hochdruckstufe 2 und Niederdruckstufe 3) erreicht.
Bei einer weiteren Steigerung des Massenstroms ṁ wird der Verdichter 2.1 zunehmend mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben, so dass eine Aufteilung des Massenstroms ṁ durch Anwendung eines parallelen Verschaltungsmodus wünschenswert wäre (siehe Betriebspunkte H3 bis H5 und N3 bis N5).
Die Betriebspunkte H3 bis H5 und N3 bis N5 des seriellen Betriebs liegen annähernd auf der jeweiligen Linie optimaler Wirkungsgrade.
Die Form der Kennfelder der Verdichter 2.1 und 3.1 erlaubt jedoch typischerweise nicht zugleich einen Sprung zu höheren Verdichtungsverhältnissen und geringeren Massenströmen ṁ, der bei einer direkten Umschaltung in den parallelen Betrieb erforderlich wäre.
Zur Vermeidung dieses Sprungs innerhalb der Kennfelder der Verdichter 2.1 und 3.1 wird nach dem seriellen Betriebsmodus zunächst ein alleiniger Betrieb der Niederdruckstufe 3 durchgeführt. Dabei wird zunächst ein langsames Öffnen der als regelbare Ventile ausgebildeten Ventile 10 und 15 durchgeführt. Mit weiterem Öffnen dieser beiden Ventile 10 und 15 kommt es dann zunehmend zu einem Betrieb des Verdichters 2.1 in Kennfeldbereichen mit einem schlechteren Wirkungsgrad, so dass ein zügiges Öffnen der Ventile 10 und 15 erfolgt. Im Anschluss daran werden dann die Ventile 8 und 13 geschlossen.
Nach erfolgter Umschaltung in einen alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe 3 sind dann die Ventile 8, 12, 13 und 17 geschlossen und die Ventile 10 und 15 geöffnet. Der Verdichter 3.1 hat nun die gesamte Verdichtung zu erfüllen und wird in einem noch wirkungsgradoptimalen Kennfeldbereich betrieben (siehe Betriebspunkt N6).
Mit zunehmendem Massenstrom ṁ wird dann der Verdichter 3.1 der Niederdruckstufe 3 in schlechteren Wirkungsgradbereichen betrieben (siehe Betriebspunkte N8 bis N10).
Sobald eine Aufteilung des Massenstroms ṁ mit Hilfe des parallelen Betriebsmodus möglich ist, also ein Sprung in einen Bereich jenseits der Pumpgrenze vermieden wird, werden die Ventile 12 und 17 geöffnet. Dabei erhält der Verdichter 2.1 der Hochdruckstufe 2 anteilig Massenstrom ṁ, welcher zuvor insgesamt durch den Verdichter 3.1 der Niederdruckstufe 3 geführt wurde. Mit weiterem Anstieg des Massenstroms ṁ steigen die Massenströme ṁ durch die Verdichter 2.1 und 3.1 jeweils weiter an (siehe Betriebspunkte H11 bis H16 und N11 bis N16).
Das Gesamtdruckverhältnis wird von jedem Verdichter 2.1 und 3.1 alleine erzeugt. Je nach Bedarf des Druckverhältnisses bei weiter ansteigendem Massenstrom ṁ können die Umgehungsleitungen 9 und 11 der Verdichter 2.1 und 3.1 mittels der regelbaren Ventile 10 und 12 (analog die Umgehungsleitungen 14 und 16 der Turbinen 2.2 und 3.2 mittels der Ventile 15 und 17) geöffnet werden, um das Druckverhältnis zu regeln (siehe Betriebspunkte H17 bis H21 und N17 bis N21). Die Betriebspunkte H17 bis H21 und N17 bis N21 liegen annähernd auf der jeweiligen Linie optimaler Wirkungsgrade.
Für eine Verzögerung aus der Volllast in die Teillast werden die oben dargestellten Betriebsmodi in umgekehrter Reihenfolge gewählt.
In 3 sind die Kennfelder der Verdichter 2.1 und 3.1 dargestellt, die verschiedene Betriebspunkte einer weiteren Aufladestrategie für eine volllastnahe Beschleunigung des Verbrennungsmotors 1 in einem langen Gang beinhalten.
Im Vergleich zu 2 stimmen die Lage der Betriebspunkte H3 bis H21 und N3 bis N21 überein.
Im Vergleich zu 2 wird kein alleiniger Betrieb der Hochdruckstufe 2 durchgeführt. Für den Start der Beschleunigung wird der Verbrennungsmotor 1 in einem seriellen Betrieb der Hochdruckstufe 2 und der Niederdruckstufe 3 aufgeladen (siehe Betriebspunkte H1 und H2 bzw. N1 und N2).
In 4 sind die Kennfelder der Verdichter 2.1 und 3.1 mit den Betriebspunkten der 3 dargestellt.
Der Betriebspunkt N6 des Verbrennungsmotors 1 wird bei einer bestimmten Drehzahl n im alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe 3 gefahren. Eine Verbindung dieses Betriebspunktes N6 mit dem Ursprung des Kennfeldes ergibt die Schlucklinie SL1.
Das Druckverhältnis π und die Drehzahl n des Betriebspunktes N6 können alternativ auch durch die beiden Betriebspunkte H5' und N5' erzielt werden (serielle Verschaltung). Wird die Last des Verbrennungsmotors 1 auf 50% (Teillastbetrieb) reduziert, ohne eine Hochdruck-AGR und/oder Niederdruck-AGR zuzuschalten, so liegt der Betriebspunkt N6'' im Kennfeld des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 in mäßig guten Wirkungsgradbereichen (Bewegung auf der Schlucklinie SL1).
Soll dem Verbrennungsmotor 1 zusätzlich ein Massenstromanteil von 50% Hochdruck-AGR beigefügt werden, so ist das gleiche Druckverhältnis π wie bei der Volllast, jedoch bei halbiertem Massenstrom ṁ, erforderlich. Dieser theoretische Betriebspunkt N6''' liegt deutlich jenseits der Pumpgrenze des Kennfeldes des Verdichters 3.1 der Niederdruckstufe 3 und kann somit nicht realisiert werden.
Nutzt man jedoch die Möglichkeit, bei der gleichen Drehzahl n in der seriellen Aufladebetriebsart c den Teillastpunkt mit 50% Last (Betriebspunkte H5'', N5'') zu fahren, so liegen die Betriebspunkte H5''' und N5''', die nach Zuschaltung von 50% Hochdruck-AGR gefahren werden, sogar in einem besseren Kennfeldbereich als die Betriebspunkte H15'', N5'' ohne Hochdruck-AGR.
Das Druckverhältnis π und die Drehzahl n des (Teillast-)Betriebspunktes N6''' können somit durch die beiden (Teillast-)Betriebspunkte H5''' und N5''' bei einer Zuschaltung eines Hochdruck-Abgasrückführmassenstroms erzielt werden.
Entsprechend können das Druckverhältnis ṁ und die Drehzahl n des Betriebspunktes N6'' durch die beiden (Teillast-)Betriebspunkte H5'' und N5'' ohne Zuschaltung einer Hochdruck- oder Niederdruckabgasrückführung erzielt werden.
In 5 ist ein qualitatives Kennfeld eines Verbrennungsmotors 1 mit den beiden Parametern Drehzahl n und Last (Drehmoment M) dargestellt.
Ein Bereich unterhalb einer Linie eines maximalen Drehmoments bei Volllast (Volllastkennlinie) und zwischen einer minimalen und maximalen Drehzahl n_min, n_max ist in vier Teile unterteilt. Eine Abgrenzung zwischen benachbarten Teilen bildet eine Umschaltkennlinie Pab, Pbc, Pcd, die mitunter einer Leistung-Isolinie entsprechen kann. Jeder Teil entspricht einer Aufladebetriebsart a, b, c und d, nämlich eine alleinige Aufladung mittels der Hochdruckstufe a, eine serielle Aufladung mittels der Hoch- und Niederdruckstufe b, eine alleinige Aufladung mittels der Niederdruckstufe c und eine parallele Aufladung mittels der Hoch- und Niederdruckstufe d.
Die Umschaltkennlinien Pab, Pbc, Pcd geben an, bei welcher Leistung ein Wechsel der Aufladebetriebsart a bis d erfolgt.
Innerhalb einer Aufladebetriebsart a, b, c und d ist ein gleichzeitiger Betrieb der Hoch- und Niederdruckabgasrückführung HD-AGR, ND-AGR möglich.

1: Verbrennungsmotor
2: Hochdruckstufe
2.1: Verdichter
2.2: Turbine
3: Niederdruckstufe
3.1: Verdichter
3.2: Turbine
4: Frischluftleitung
5: Abgasleitung
6: Hochdruck-Abgasrückführleitung
7: Niederdruck-Abgasrückführleitung
8: Ventil
9: Umgehungsleitung
10: Ventil
11: Umgehungsleitung
12: Ventil
13: Ventil
14: Umgehungsleitung
15: Ventil
16: Umgehungsleitung
17: Ventil
18: Ladeluftkühler
19: Ventil
20: Abgasnachbehandlungseinrichtung
21: Ventil
22: Ventil
23: Abgaskühler
24: Abgaskühler
25: Ventil
A: Pfeil
B: Pfeil
HD-AGR: Hochdruck-Abgasrückführung
ND-AGR: Niederdruck-Abgasrückführung
Pab: Umschaltkennlinie zwischen den Aufladebetriebsarten a und b
Pbc: Umschaltkennlinie zwischen den Aufladebetriebsarten b und c
Pcd: Umschaltkennlinie zwischen den Aufladebetriebsarten c und d
SL1: Schlucklinie
SL2: Schlucklinie
a: Aufladebetriebsart
b: Aufladebetriebsart
c: Aufladebetriebsart
d: Aufladebetriebsart
H1–H21: Betriebspunkt des Verdichters der Hochdruckstufe
N1–N21: Betriebspunkt des Verdichters der Niederdruckstufe
ṁ: Massenstrom
M: Drehmoment
n: Drehzahl
n_min: minimale Drehzahl
n_max: maximale Drehzahl
η_2.1: Linie optimaler Wirkungsgrade
η_3.1: Linie optimaler Wirkungsgrade
π: Druckverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/098133 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors (1), mit einer Hochdruckstufe (2), umfassend eine Turbine (2.2) und einen Verdichter (2.1), einer Niederdruckstufe, umfassend eine Turbine (3.2) und einen Verdichter (3.1), sowie eine Hochdruckabgasrückführung und eine Niederdruckabgasrückführung, wobei in einer Frischluftleitung (4) der Verdichter (2.1) stromabwärts des Verdichters (3.1) angeordnet ist, und in der Frischluftleitung (4) stromabwärts des Verdichters (3.1) und stromaufwärts des Verdichters (2.1) ein Ventil (8) angeordnet ist, und eine Umgehungsleitung (11), die ein Ventil (12) umfasst, stromaufwärts des Verdichters (3.1) von der Frischluftleitung (4) abzweigt und stromabwärts des Ventils (8) und stromaufwärts des Verdichters (2.1) wieder in die Frischluftleitung (4) einmündet, und eine Umgehungsleitung (9), die ein Ventil (10) umfasst, stromabwärts des Verdichters (3.1) und stromaufwärts des Ventils (8) von der Frischluftleitung (4) abzweigt und stromabwärts des Verdichters (2.1) wieder in die Frischluftleitung (4) einmündet, und stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung (9) in der Frischluftleitung (4) ein Ventil (19) angeordnet ist, und in einer Abgasleitung (5) die Turbine (2.2) stromaufwärts der Turbine (3.2) angeordnet ist, und in der Abgasleitung (5) stromabwärts der Turbine (2.2) und stromaufwärts der Turbine (3.2) ein Ventil (13) angeordnet ist, und eine Umgehungsleitung (14), die ein Ventil (15) umfasst, stromaufwärts der Turbine (2.2) von der Abgasleitung (5) abzweigt und stromabwärts des Ventils (13) und stromaufwärts der Turbine (3.2) wieder in die Abgasleitung (5) einmündet, und eine Umgehungsleitung (16), die ein Ventil (17) umfasst, stromabwärts der Turbine (2.2) und stromaufwärts des Ventils (13) von der Abgasleitung (5) abzweigt und stromabwärts der Turbine (3.2) wieder in die Abgasleitung (5) einmündet, und stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung (16) in der Abgasleitung (5) ein Ventil (13) angeordnet ist, und eine Hochdruck-Abgasrückführleitung (6), die ein Ventil (22) umfasst, stromaufwärts der Abzweigung der Umgehungsleitung (14) von der Abgasleitung (5) abzweigt und stromabwärts des Ventils (19) in die Frischluftleitung (4) einmündet, und eine Niederdruck-Abgasrückführleitung (7), die ein Ventil (25) umfasst, stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung (16) und stromaufwärts des Ventils (21) von der Abgasleitung (5) abzweigt und stromaufwärts der Abzweigung der Umgehungsleitung (11) in die Frischluftleitung (4) einmündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (5) stromabwärts der Einmündung der Umgehungsleitung (16) und stromaufwärts der Abzweigung der Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (8 und 13) zwischen den beiden Positionen „vollständig geöffnet” und „vollständig geschlossen” umschaltbar sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (10, 12, 15 und 17) der Umgehungsleitungen (9, 11, 14 und 16) stufenlos zwischen den beiden Positionen „vollständig geöffnet” und „vollständig geschlossen” regelbar sind.
Verfahren zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors (1), wobei der Verbrennungsmotor (1) mittels einer Hochdruckstufe (2), umfassend einen Verdichter (2.1) und eine Turbine (2.2), und einer Niederdruckstufe (3), umfassend einen Verdichter (3.1) und eine Turbine (3.2), aufladbar ist, und wobei ein Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors (1) von einer Abgasleitung (5) mittels einer Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) sowie einer Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) dem Frischluftmassenstrom in einer Frischluftleitung (4) zuführbar ist, und der Verbrennungsmotor (1) alleinig entweder mittels der Hochdruckstufe (2) oder mittels der Niederdruckstufe (3), oder durch eine serielle oder parallele Durchströmung der Hochdruckstufe (2) und der Niederdruckstufe (3) aufladbar ist, und von einem alleinigen Betrieb mittels der Hochdruckstufe (2) in einen seriellen Betrieb der Hochdruckstufe (2) und der Niederdruckstufe (3), und von einem seriellen Betrieb entweder in den alleinigen Betrieb der Hochdruckstufe (2) oder in einen alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe (3), und von einem alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe (3) entweder in den seriellen Betrieb oder in den parallelen Betrieb, und von einem parallelen Betrieb in einen alleinigen Betrieb der Niederdruckstufe (3) gewechselt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) der Verbrennungsmotor (1) zuerst seriell, dann alleinig mittels der Niederdruckstufe (3) und anschließend parallel aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) der Verbrennungsmotor (1) zuerst alleinig mittels der Hochdruckstufe (2), dann seriell, sodann alleinig mittels der Niederdruckstufe (3) und anschließend parallel aufgeladen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für eine alleinige Aufladung des Verbrennungsmotors (1) mittels der Hochdruckstufe (2) ein Ventil (8) in der Frischluftleitung (4), ein Ventil (10) in einer Umgehungsleitung (9) für den Verdichter (2.1), ein Ventil (13) in der Abgasleitung (5) und ein Ventil (15) in einer Umgehungsleitung (14) für die Turbine (2.2) geschlossen werden und ein Ventil (12) in einer Umgehungsleitung (11) für den Verdichter (3.1) und ein Ventil (17) in einer Umgehungsleitung (16) für die Turbine (3.2) geöffnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für eine alleinige Aufladung des Verbrennungsmotors (1) mittels der Niederdruckstufe (3) das Ventil (8) in der Frischluftleitung (4), das Ventil (12) in der Umgehungsleitung (11), das Ventil (13) in der Abgasleitung (5) und das Ventil (17) in der Umgehungsleitung (16) geschlossen werden und das Ventil (10) in der Umgehungsleitung (9) und das Ventil (15) in der Umgehungsleitung (14) geöffnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für eine gemeinsame Aufladung des Verbrennungsmotors (1) mittels der seriellen Anordnung der Hochdruckstufe (2) und der Niederdruckstufe (3) das Ventil (10) in der Umgehungsleitung (9), das Ventil (12) in der Umgehungsleitung (11), das Ventil (15) in der Umgehungsleitung (14) und das Ventil (17) in der Umgehungsleitung (16) geschlossen werden und das Ventil (8) in der Frischluftleitung (4) und das Ventil (13) in der Abgasleitung (5) geöffnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Aufladung des Verbrennungsmotors (1) mittels der parallelen Anordnung der Hochdruckstufe (2) und der Niederdruckstufe (3) das Ventil (8) in der Frischluftleitung (4) und das Ventil (13) in der Abgasleitung (5) geschlossen werden und das Ventil (10) in der Umgehungsleitung (9), das Ventil (12) in der Umgehungsleitung (11), das Ventil (15) in der Umgehungsleitung (14) und das Ventil (17) in der Umgehungsleitung (16) geöffnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) innerhalb einer Aufladebetriebsart (a, b, c, d) das Ventil (22) der Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) zugunsten höherer Hochdruck-AGR-Raten weiter geöffnet und das Ventil (25) der Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) zugunsten geringerer Niederdruck-AGR-Raten weiter geschlossen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zunahme des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) bei einem Wechsel der Aufladebetriebsart (a, b, c, d) an einer der Umschaltkennlinien (Pab, Pbc, Pcd) das Ventil (22) der Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) zugunsten niedrigerer Hochdruck-AGR-Raten weiter geschlossen und das Ventil (25) der Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) zugunsten höherer Niederdruck-AGR-Raten weiter geöffnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reduzierung des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) innerhalb einer Aufladebetriebsart (a, b, c, d) das Ventil (22) der Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) zugunsten niedrigerer Hochdruck-AGR-Raten weiter geschlossen und das Ventil (25) der Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) zugunsten höherer Niederdruck-AGR-Raten weiter geöffnet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reduzierung des Frischluft- und Abgasmassenstroms durch den Verbrennungsmotor (1) bei einem Wechsel der Aufladebetriebsart (a, b, c, d) an einer der Umschaltkennlinien (Pab, Pbc, Pcd) das Ventil (22) der Hochdruck-Abgasrückführleitung (6) zugunsten höherer Hochdruck-AGR-Raten weiter geöffnet und das Ventil (25) der Niederdruck-Abgasrückführleitung (7) zugunsten niedrigerer Niederdruck-AGR-Raten weiter geschlossen wird.