DE102009013040A1

DE102009013040A1 - Brennkraftmaschine mit Registeraufladung

Info

Publication number: DE102009013040A1
Application number: DE102009013040A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Ing. Hagelstein; Jens Kühlmeyer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-16
Also published as: KR20110123286A; CN102421999A; WO2010102745A1; EP2406475A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem elektrifizierten Antriebsstrang, insbesondere mit einer Kombination aus einem Elektromotor und einer Brennkraftmaschine (Hybridmotor), mit wenigstens einem ersten Abgasturbolader (30), welcher wenigstens eine erste Turbine (28) und wenigstens einen ersten Verdichter (36) aufweist, wenigstens einem zweiten Abgasturbolader (34), welcher wenigstens eine zweite Turbine (32) und wenigstens einen zweiten Verdichter (38) aufweist, wobei die erste und die zweite Turbine (28, 32) in einem Abgasstrang (22) der Brennkraftmaschine bezüglich eines Abgasmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Verdichter (36, 38) in einem Frischluftstrang (18) der Brennkraftmaschine bezüglich eines Frischluftmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Abgasstrang (22) wenigstens eine Ventileinrichtung (54; 64) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine (32) wahlweise reduziert und/oder unterbricht und gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine (28) uneingeschränkt zulässt, so dass im Wesentlichen nur der erste Abgasturbolader (30) einen Ladedruck erzeugt. Hierbei ist an dem zweiten Abgasturbolader (34) neben der zweiten Turbine (32) wenigstens eine zusätzliche weitere Antriebsvorrichtung (58) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem ersten Abgasturbolader, welcher wenigstens eine erste Turbine und wenigstens einen ersten Verdichter aufweist, wenigstens einem zweiten Abgasturbolader, welcher wenigstens eine zweite Turbine und wenigstens einen zweiten Verdichter aufweist, wobei die erste und die zweite Turbine in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine bezüglich eines Abgasmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Verdichter in einem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine bezüglich eines Frischluftmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Abgasstrang wenigstens eine Ventileinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine wahlweise reduziert und/oder unterbricht und gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine uneingeschränkt zulässt, so dass ein Ladedruck im Wesentlichen nur von dem ersten Abgasturbolader erzeugt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Frischluft in wenigstens zwei Abgasturboladern mittels eines jeweiligen Verdichters verdichtet wird, wobei der jeweilige Verdichter von einer jeweiligen Abgasturbine angetrieben wird, wobei in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einem ersten Abgasturbolader ein zweiter Abgasturbolader zugeschaltet wird, wobei vor dem Zuschalten der zweite Abgasturbolader auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Bei einer so genannten Registeraufladung an einem Verbrennungsmotor sind mindestens zwei Abgasturbolader (ATL) vorgesehen, die durch mindestens ein zusätzliches Schaltelement auf der Abgas- und/oder Frischluftseite miteinander betriebspunktabhängig mit Abgas bzw. Luft beaufschlagt werden.
Es gibt viele Möglichkeiten eine Registeraufladung an einem Verbrennungsmotor zu realisieren. Diese zeichnen sich alle durch die Verwendung mind. zweier ATL's (Abgasturbolader) aus, die durch mindestens ein zusätzliches Schaltelement auf der Abgas- und/oder Frischluftseite miteinander betriebspunktabhängig mit Abgas bzw. Luft beaufschlagt werden können.
Speziell für die Registeraufladung an einem Ottomotor sind solche Registerkonzepte geeignet, die bei kleinen Motordrehzahlen einen ATL alleine beaufschlagen und für den Nennleistungsbereich einen zweiten ATL zuschalten, ohne auf die Verdichtungsarbeit des ersten ATL zu verzichten, d. h. der erste ATL trägt weiterhin einen sehr großen Teil zur gesamten Aufladearbeit bei. Mit einem solchen Konzept ist es möglich, den bei Ottomotoren sehr breiten Luftmassenstrombedarf optimal abzudecken. Da bei einer Lastanforderung im unteren Luftmassenstrombedarf des Motors die gesamte zur Verfügung stehende Abgasenergie nur einem ATL zur Verfügung gestellt wird, kann dieser sehr schnell auf seine Betriebsdrehzahl beschleunigt werden und somit auch sehr schnell einen hohen Ladedruck bereitstellen, was gegenüber einem konventionellen Mono- oder Twinturbokonzept zu einem überlegenen Ansprechverhalten führt. Bei einem konventionellen Monoturbokonzept muss der ATL in der Lage sein, die Nennleistung des Motors alleine abzudecken, weshalb er entsprechend groß ausgelegt werden muss. Dies ermöglicht zwangsläufig nur ein entsprechend träges Ansprechverhalten bei geringen Abgasmassenströmen, wie sie bei kleinen Motordrehzahlen vorliegen. Bei einem klassischen Twin- bzw. Biturbokonzept muss die zur Verfügung stehende Abgasenergie auch bei kleinen Abgasmassenströmen, die bei geringer Motordrehzahl vorliegt, auf zwei ATL's aufgeteilt werden.
Ein Registerkonzept für einen Verbrennungsmotor ist beispielsweise aus der DE 10 2005 061 649 A1 bekannt und verfügt über zwei ATL's, die in ihrer Auslegung (Druckverhältnisse, Massen-/Volumendurchsatzvermögen, etc.) einer konventionellen Twinturboauslegung recht ähnlich oder auch identisch sind. Zweckmäßigerweise wird dabei ausgehend von der für den konventionellen Twinturbobetrieb optimalen ATL-Auslegung ein ATL etwas kleiner und der zweite ATL etwas größer gewählt. Die Beaufschlagung der ATL's mit Abgas erfolgt beim Registerkonzept derart, dass bei kleinen Abgasmassenströmen (kleine Motordrehzahlen) über eine schaltbare Rohrführung im Abgaskrümmer lediglich der kleinere der beiden ATL's mit dem gesamten zur Verfügung stehenden Abgasmassenstrom beaufschlagt wird. Gelangt dieser ATL an sein maximales Durchsatzvermögen, was etwa bei mittleren Motordrehzahlen der Fall ist, erfolgt die Zuschaltung des zweiten, etwas größeren ATL und das Registersystem wird bis zur Nennleistung analog einem konventionellen Twinturbosystem betrieben. Je nach Auslegung des Systems teilen sich die beiden ATL's den erforderlichen Massenstrom im Nennpunkt mit 50%/50% oder etwa 40% zu 60% oder etwa 45% zu 55% zugunsten des größeren ATL.
Bei dem zuvor beschriebenen Registersystem kann der Ein-ATL-Betrieb den Luftmassenstrombedarf des Motors im mittleren und oberen Drehzahlbereich nicht bedienen, weshalb eine Zuschaltung des zweiten ATL notwendig ist. Eine Umschaltung auf einen größeren ATL, bei der der erste kleine ATL (die sog. Hochdruckstufe) abgeschaltet wird und der größere ATL (die Niederdruckstufe) vollständig die Aufladearbeit übernimmt, ist vergleichsweise einfach zu realisieren und derartige Konzepte befinden sich bereits auch in Serie. Die Zuschaltung eines zweiten ATL ist jedoch schwieriger zu beherrschen. Eine Umschaltung auf den zweiten ATL bringt, wie schon oben beschrieben, den Nachteil mit sich, dass dieser zweite ATL sehr groß dimensioniert sein muss, damit er den Luftmassenbedarf im Nennleistungspunkt des Motors alleine liefern kann. Dies führt zu entsprechenden Packagenachteilen. Zudem ist die Verfügbarkeit von ATL für ottomotorische Anwendungen insbesondere mit Nennleistungen oberhalb von 200 kW und Abgastemperaturen > 950°C begrenzt. Auch vor diesem Hintergrund ist die Zuschaltung eines zweiten ATL für ein Ottoregisterkonzept zielführender. Ein weiterer Nachteil einer derart zweistufig geregelten Aufladung an einem Ottomotor ist, dass im unteren Drehzahl-Bereich beide ATL in Serie geschaltet betrieben werden. Die Druckverhältnisse an beiden Turbinen multiplizieren sich demnach und der Motor muss gegen einen sehr hohen Abgasgegendruck arbeiten, was zu einem schlechteren Restgasausspülverhalten führt. Da ottomotorische Brennverfahren sehr kritisch bzgl. ihrer Klopfgrenze auf verbliebene Restgasanteile im Brennraum reagieren, ist ein solches zweistufiges Aufladeverfahren für Ottomotoren gegebenenfalls nachteilig.
Wie oben beschrieben, ist für die Anwendung am Ottomotor ein Registerkonzept zu bevorzugen, bei dem zunächst nur ein ATL, der gegen Umgebung entspannen kann, mit Abgas beaufschlagt wird und im Drehzahlverlauf des Motors ein zweiter ATL parallel geschaltet wird, d. h. beide ATL entspannen gegen Umgebung bzw. gegen normalen Druckverlust der Abgasanlage. Der Zuschaltvorgang erfolgt vorzugsweise über eine vollvariable Auslassventilsteuerung, kann aber auch über eine thermisch hoch belastbare Abgasklappe erfolgen. Der Zuschaltvorgang des zweiten ATL ist deshalb kritisch, da der zweite ATL vor dem Parallelschluss auf die Drehzahl des ersten, im Betrieb befindlichen ersten ATL gebracht werden muss. Ein Zuschaltvorgang kann nur dann ohne Drehmomenteinbruch erfolgen, wenn der Saugrohrdruck konstant bleibt. Bei einem ATL ist der Ladedruck direkt abhängig von der Drehzahl des ATL. Hieraus folgt für gleich große ATL die Bedingung, dass der erste und der zweite ATL eine identische Drehzahl aufweisen müssen, um einen Drehmomenteinbruch beim Zuschaltvorgang zu vermeiden. Im Fall unterschiedlich großer ATL muss vor dem Zuschaltvorgang die analoge Drehzahl für ein gleiches Druckverhältnis bei beiden ATL vor/nach der Turbine (p2/p1) erreicht werden. Für den Hochlauf des zweiten ATL wird Abgasenergie benötigt, die dem ersten ATL nicht mehr zur Verfügung steht, d. h. das theoretische Ladedruckpotential, das durch eine Registeraufladung besteht, kann nicht ausgenutzt werden, wenn ohne Drehmomenteinbruch von einem 1-ATL-Betrieb auf einen 2-ATL-Betrieb umgeschaltet wird.
Aus der DE 43 10 148 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit Registeraufladung bekannt, wobei ein erster Abgasturbolader ständig Ladeluft liefert und ein zweiter Abgasturbolader wahlweise zugeschaltet wird. Um ein pulsationsfreies Zuschalten des zweiten Abgasturboladers zu ermöglichen wird in dem Fall, in dem der zweite Abgasturbolader nicht zur Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine beiträgt, ein Druckausgang eines Verdichters des zweiten Abgasturboladers mit dem Einlasse einer Turbine dieses zweiten Abgasturboladers verbunden. Auf diese Weise wird der zweite Abgasturbolader ständig auf einer Drehzahl gehalten, die er zur Ladeluftversorgung der Brennkraftmaschine benötigt, so dass beim Zuschalten des zweiten Abgasturboladers durch Abtrennen des Druckausgangs des Verdichters des zweiten Abgasturboladers vom Einlasse der Turbine dieses zweiten Abgasturboladers und Verbinden des Druckausgangs des Verdichters des zweiten Abgasturboladers mit der zur Brennkraftmaschine führenden Verbrennungsluftversorgungsleitung ohne Drucksprung sofort der benötigte Ladeluftdruck vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich der Zuschaltung eines zweiten Abgasturboladers einer Registeraufladung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 14 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem zweiten Abgasturbolader neben der Turbine wenigstens eine zusätzliche weitere Antriebsvorrichtung angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass vor dem Zuschalten des zweiten Abgasturboladers zum Hochfahren der Drehzahl dieses zweiten Abgasturboladers die zusätzliche Antriebsvorrichtung vorgesehen ist, so dass keine oder nur wenig Energie aus dem Abgasmassenstrom zum Hochfahren der Drehzahl des zweiten Abgasturboladers entnommen werden muss. Hierdurch wird auf einfache Weise ein Zuschaltvorgang ohne Drehmomenteinbruch der Brennkraftmaschine erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zusätzliche Antriebsvorrichtung ein Elektromotor.
Die wenigstens eine Ventileinrichtung ist beispielsweise stromauf und/oder stromab der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers angeordnet und umfasst beispielsweise eine Abgasklappe.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbare Auslassventile auf, wobei wenigstens ein jeweiliges erstes Auslassventil wenigstens eines Arbeitszylinders strömungsleitend mit der ersten Turbine verbunden und bezüglich des Abgasmassenstromes von der zweiten Turbine getrennt ist, wobei wenigstens ein jeweiliges zweites Auslassventil wenigstens eines Arbeitszylinders strömungsleitend mit der zweiten Turbine verbunden und bezüglich des Abgasmassenstromes von der ersten Turbine getrennt ist, wobei eine zyklische Betätigung zum Öffnen der zweiten Auslassventile wahlweise derart abschaltbar ausgebildet ist, dass die zweiten Auslassventile länger als in einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine üblich geschlossen bleiben und die Ventileinrichtung zum Reduzieren und/oder Unterbrechen des Abgasmassenstromes durch die zweite Turbine ausbilden.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens einer der Abgasturbolader als Single Scroll Abgasturbolader mit einer Einlassspirale oder als Twin Scroll Abgasturbolader mit zwei Einlassspiralen ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Eingang der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers und ein Eingang der zweiten Turbine des zweiten Abgasturboladers über eine Übersprechleitung strömungsleitend miteinander verbunden.
Zweckmäßigerweise weist die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Arbeitszylinder auf, wobei ein Abgasauslass wenigstens eines ersten Arbeitszylinders ausschließlich mit der ersten Turbine strömungsleitend verbunden ist, so dass der Abgasmassenstrom aus wenigstens einem ersten Arbeitszylinder ausschließlich die erste Turbine beaufschlagt, und ein Abgasauslass wenigstens eines zweiten Arbeitszylinders ausschließlich mit der zweiten Turbine strömungsleitend verbunden ist, so dass der Abgasmassenstrom aus wenigstens einem zweiten Arbeitszylinder ausschließlich die zweite Turbine beaufschlagt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist an der ersten Turbine und/oder an der zweiten Turbine eine Überbrückungsleitung mit Ventileinrichtung, insbesondere ein Wastegate, zum wenigstens teilweise vorbeileiten des Abgasmassenstromes an der jeweiligen Turbine angeordnet.
Zweckmäßigerweise ist im Frischluftstrang stromab des ersten Verdichters und/oder des zweiten Verdichters wenigstens ein Druckregelventil angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Frischluftstrang stromab des ersten Verdichters und/oder des zweiten Verdichters wenigstens eine Drosselklappe angeordnet.
Zweckmäßigerweise ist eine Umluftleitung mit einem Umluftventil vorgesehenen, welche wahlweise den Frischluftstrang stromab des zweiten Verdichters mit dem Frischluftstrang stromauf des zweiten Verdichters strömungsleitend verbindet.
Ferner ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschleunigung des zweiten Abgasturboladers auf die vorbestimmte Drehzahl wenigstens teilweise mittels eines bezüglich der Abgasturbine des zweiten Abgasturboladers zusätzlichen Antriebs durchgeführt wird.
Dies hat den Vorteil, dass für die Beschleunigung des zweiten Abgasturboladers auf die gewünschte Drehzahl keine Energie aus einem Abgasmassenstrom entnommen werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die vorbestimmte Drehzahl derart bestimmt, dass ein Druckverhältnis vor und nach der Turbine des zweiten Abgasturboladers einem Druckverhältnis vor und nach der Turbine des ersten Abgasturboladers entspricht.
Zweckmäßigerweise wird als zusätzlicher Antrieb ein Elektromotor verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Zuschalten des zweiten Abgasturboladers mittels Öffnen einer Ventileinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine durchgeführt.
Zweckmäßigerweise wird beim Zuschalten des zweiten Abgasturboladers zusätzlich eine Ventileinrichtung in einem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine geöffnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Energie zum Antrieb des zusätzlichen Antriebs aus einem Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator für elektrische Energie, entnommen, wobei der Energiespeicher beispielsweise mittels Rekuperation von Bremsenergie gespeist wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,
4 eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und
5 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung.
Die in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine umfasst vier Arbeitszylinder 10, 12, 14 und 16, die über einen Frischluftstrang 18 mit einem Saugrohr 20 mit einem Frischluftmassenstrom gespeist werden und die einen Abgasmassenstrom an einen Abgasstrang 22 mit Katalysatoren 24 und Lambdasonden 26 abgeben. In dem Abgasstrang 22 ist eine erste Abgasturbine 28 eines ersten Abgasturboladers 30 und eine zweite Abgasturbine 32 eines zweiten Abgasturboladers 34 angeordnet, wobei die beiden Abgasturbinen 28, 32 bezüglich des Abgasmassenstromes parallel zueinander in dem Abgasstrang 22 angeordnet sind. In dem Frischluftstrang 18 ist ein erster Verdichter 36 des ersten Abgasturboladers 30 und ein zweiter Verdichter 38 des zweiten Abgasturboladers 34 angeordnet, wobei die beiden Verdichter 36, 38 bezüglich des Frischluftmassenstromes parallel zueinander in dem Frischluftstrang 18 angeordnet sind. Die erste Turbine 28 treibt den ersten Verdichter 36 an und die zweite Turbine 32 treibt den zweiten Verdichter 38 an. Eine Übersprechleitung 40 verbindet die jeweiligen Eingänge der beiden Turbinen 28, 32 strömungsleitend miteinander. Die erste Turbine 28 weist eine erste Überbrückungsleitung 42 mit Ventileinrichtung (Wastegate 1) auf, welche wahlweise wenigstens einen Teil des Abgasmassenstromes an der ersten Turbine 28 vorbei leitet. Die zweite Turbine 32 weist eine zweite Überbrückungsleitung 44 mit Ventileinrichtung (Wastegate 2) auf, welche wahlweise wenigstens einen Teil des Abgasmassenstromes an der zweiten Turbine 32 vorbei leitet. Die Überbrückungsleitungen 42, 44 sind beispielsweise als interne Wastegates der jeweiligen Turbine 28, 32 ausgebildet. In dem Frischluftstrang 18 ist stromab des ersten Verdichters 36 ein erster Ladeluftkühler 50 und stromab des zweiten Verdichters 38 ein zweiter Ladeluftkühler 52 angeordnet. Der zweite Verdichter 38 weist eine Umluftleitung 46 mit einem Umluftventil 48 auf, um wenigstens einen Teil der von dem zweiten Verdichter 38 verdichteten Luft von dem Ausgang des zweiten Verdichters 38 stromab des zweiten Ladeluftkühlers 52 an den Eingang des zweiten Verdichters 38 zurück zu leiten. In einem nur der zweiten Turbine 32 zugeordneten Abschnitt des Abgastraktes 22 ist eine Abgasklappe 54 angeordnet. In dem Frischluftstrang 18 ist stromab der beiden Ladeluftkühler 50, 52 eine Drosselklappe 56 angeordnet. Stromab des zweiten Ladeluftkühlers 52 ist in dem Frischluftstrang 18 ein Druckregelventil 60 angeordnet.
Erfindungsgemäß umfasst der zweite Abgasturbolader 34 neben der zweiten Turbine 38 eine weitere Antriebsvorrichtung 58 für den zweiten Verdichter 32 in Form eines Elektromotors.
Bei der in 1 dargestellten, ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist die Abgasklappe 54 motorfern und bezüglich des Abgasmassenstromes stromab der zweiten Turbine 32 angeordnet. Die beiden Abgasturbolader 30, 34 sind mit SS-Abgasturbinen (Singel-Scroll-Abgasturbinen) 28, 32 mit einer Einlassspirale in der Abgasturbine 28, 32 ausgebildet. In der Übersprechleitung 40 ist eine Regelklappe (nicht dargestellt) angeordnet.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist der erste Abgasturbolader 30 mit einer TS-Abgasturbine (Twin-Scroll-Abgasturbine) 28 mit zwei Einlassspiralen in der ersten Abgasturbine 28 ausgebildet, wohingegen der zweite Abgasturbolader 34 mit einer SS-Abgasturbine 32 ausgebildet ist.
3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist die Abgasklappe 54 motornah und bezüglich des Abgasmassenstromes stromauf der zweiten Abgasturbine 32 angeordnet. Beide Abgasturbolader 30, 34 sind mit SS-Abgasturbinen 28, 32 ausgebildet.
Bei allen zuvor erläuterten bevorzugten Ausführungsform gemäß der 1 bis 3 ist der Abgasstrang 22 derart ausgebildet, dass der Abgasmassenstrom aus ersten Arbeitszylindern 10, 16 ausschließlich der ersten Turbine 28 zugeführt wird und der Abgasmassenstrom aus zweiten Arbeitszylindern 12, 14 ausschließlich der zweiten Turbine 32 zugeführt wird.
4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist der Abgasstrang 22 doppelflutig ausgebildet und die Abgasklappe 54 ist motornah, bezüglich des Abgasmassenstromes stromauf der zweiten Abgasturbine 32 sowie in der Übersprechleitung 40 angeordnet. Der erste Abgasturbolader 30 und/oder der zweite Abgasturbolader 34 weisen eine TS-Abgasturbine 28, 32 auf.
5 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 1 ist keine Übersprechleitung 40 vorgesehen. Jeder Arbeitszylinder 10, 12, 14, 16 weist jeweils ein erstes Auslassventil 62 und ein zweites Auslassventil 64 auf. Die ersten Auslassventile 62 sind bezüglich des Abgasmassenstromes strömungsleitend nur mit der ersten Turbine 28 verbunden und von der zweiten Turbine 32 getrennt. Die zweiten Auslassventile 64 sind bezüglich des Abgasmassenstromes strömungsleitend nur mit der zweiten Turbine 32 verbunden und von der ersten Turbine 28 getrennt. In solchen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen der erste Abgasturbolader 30 allein den notwendigen Ladedruck für ein gewünschtes Motormoment zur Verfügung stellen kann, beispielsweise in einem LowEnd Torque Bereich, bleiben die zweiten Auslassventile 64 geschlossen und lediglich die ersten Auslassventile 62 werden gemäß dem Arbeitsspiel bzw. einem Kurbelwellenwinkel zyklisch geöffnet und geschlossen. Dies wird beispielsweise durch eine Auslassnockenwelle mit Hubumschalter erreicht. Dadurch wird nur die erste Turbine 28 mit dem Abgasmassenstrom beaufschlagt. ATL 30 kann als SS-ATL oder als TS-ATL (hier dargestellt) ausgeführt sein. Der erste Verdichter 36 weist eine Umluftleitung mit einem Umluftventil 66 auf, um wenigstens einen Teil der von dem ersten Verdichter 36 verdichteten Luft von dem Ausgang des ersten Verdichters 36 stromab des ersten Ladeluftkühlers 50 an den Eingang des ersten Verdichters 36 zurück zu leiten.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit Registersystem wird der Einsatz eines EU-ATL (Elektrisch Unterstützter ATL) als zweiter, zuzuschaltender Abgasturbolader 34 vorgeschlagen. Der EU-ATL 34 kann neben der ihm zugeführten Abgasenergie (Bypass-Massenstrom des ersten ATL 30, wenn dieser den Soll-Ladedruck erreicht hat) zusätzlich durch elektrische Energie beschleunigt werden. Damit kann zum einen die Performance des Registerverbundes gesteigert werden und zum anderen fallen die Stromspitzen während der Beschleunigung des EU-ATL 34 im Registerverbund deutlich geringer aus, als bei Verwendung eines EU-ATL als Mono-ATL-Konzept. Im Registerverbund muss der zweite ATL 34 erst seine Ziel-Drehzahl (vorbestimmte Drehzahl) erreicht haben, bevor auf 2-ATL-Betrieb umgeschaltet werden kann (Zuschaltung des zweiten ATL 34), da hier der erste, ausschließlich über Abgasenergie beschleunigte ATL 30 bestimmend für das Dynamikgefühl ist.
Idealerweise kommt das zuvor beschriebene Registersystem in einem elektrifizierten Antriebsstrang zur Anwendung, wobei die Beschleunigungsenergie für den EU-ATL 34 vorzugsweise aus einem Speicher entnommen wird, der über rekuperierte Bremsenergie gespeist wird.
Mit dem zweiten ATL 34 in Form des EU-ATL steht eine Brennkraftmaschine mit einem Registersystem zur Verfügung, bei dem der zweite ATL 34 mit einer Mischung aus Abgasenergie und elektrischer Energie beschleunigt werden kann. Damit steht dem ersten ATL 30 im 1-ATL-Betrieb mehr Abgasenergie zur Verfügung, wodurch höhere Mitteldrücke erzielt werden können. Gleichzeitig kann der Umschaltvorgang in den 2-ATL-Betrieb (Zuschaltung des zweiten ATL 34) auf einfache Weise drehmomentneutral durchgeführt werden. Der bei einer Registeraufladung kritische Betriebsbereich der Zuschaltphase des zweiten ATL 34 wird durch die Verwendung des EU-ATL 34 entschärft. Hierdurch kann eine höhere Leistung des Registerverbundes erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005061649 A1 [0005]
- DE 4310148 C2 [0008]

Claims

Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem elektrifizierten Antriebsstrang, insbesondere mit einer Kombination aus einem Elektromotor und einer Brennkraftmaschine (Hybridmotor), mit wenigstens einem ersten Abgasturbolader (30), welcher wenigstens eine erste Turbine (28) und wenigstens einen ersten Verdichter (36) aufweist, wenigstens einem zweiten Abgasturbolader (34), welcher wenigstens eine zweite Turbine (32) und wenigstens einen zweiten Verdichter (38) aufweist, wobei die erste und die zweite Turbine (28, 32) in einem Abgasstrang (22) der Brennkraftmaschine bezüglich eines Abgasmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Verdichter (36, 38) in einem Frischluftstrang (18) der Brennkraftmaschine bezüglich eines Frischluftmassenstromes parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Abgasstrang (22) wenigstens eine Ventileinrichtung (54; 64) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine den Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine (32) wahlweise reduziert und/oder unterbricht und gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine (28) uneingeschränkt zulässt, so dass im Wesentlichen nur der erste Abgasturbolader (30) einen Ladedruck erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Abgasturbolader (34) neben der zweiten Turbine (32) wenigstens eine zusätzliche weitere Antriebsvorrichtung (58) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Antriebsvorrichtung (58) ein Elektromotor ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung (54) eine Abgasklappe umfasst.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (54) stromauf und/oder stromab der zweiten Turbine (32) des zweiten Abgasturboladers (34) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Arbeitszylinder (10, 12, 14, 16) der Brennkraftmaschine wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbare Auslassventile (62, 64) aufweist, wobei wenigstens ein jeweiliges erstes Auslassventil (62) wenigstens eines Arbeitszylinders (10, 12, 14, 16) strömungsleitend mit der ersten Turbine (28) verbunden und bezüglich des Abgasmassenstromes von der zweiten Turbine (32) getrennt ist, wobei wenigstens ein jeweiliges zweites Auslassventil (64) wenigstens eines Arbeitszylinders (10, 12, 14, 16) strömungsleitend mit der zweiten Turbine (32) verbunden und bezüglich des Abgasmassenstromes von der ersten Turbine (28) getrennt ist, wobei eine zyklische Betätigung zum Öffnen der zweiten Auslassventile (64) wahlweise derart abschaltbar ausgebildet ist, dass die zweiten Auslassventile (64) länger als in einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine üblich geschlossen bleiben und die Ventileinrichtung zum Reduzieren und/oder Unterbrechen des Abgasmassenstromes durch die zweite Turbine (32) ausbilden.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Abgasturbolader (30, 34) als Single Scroll Abgasturbolader mit einer Einlassspirale in der Turbine (28, 32) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Abgasturbolader (30, 34) als Twin Scroll Abgasturbolader mit zwei Einlassspiralen in der Turbine (28, 32) ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang der ersten Turbine (28) des ersten Abgasturboladers (30) und ein Eingang der zweiten Turbine (32) des zweiten Abgasturboladers (34) über eine Übersprechleitung (40) strömungsleitend miteinander verbunden sind.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Brennkraftmaschine wenigstens zwei Arbeitszylinder (10, 12, 14, 16) aufweist, wobei ein Abgasauslass wenigstens eines ersten Arbeitszylinders (10, 16) ausschließlich mit der ersten Turbine (28) strömungsleitend verbunden ist, so dass der Abgasmassenstrom aus wenigstens einem ersten Arbeitszylinder (10, 16) ausschließlich die erste Turbine (28) beaufschlagt, und ein Abgasauslass wenigstens eines zweiten Arbeitszylinders (12, 14) ausschließlich mit der zweiten Turbine (32) strömungsleitend verbunden ist, so dass der Abgasmassenstrom aus wenigstens einem zweiten Arbeitszylinder (12, 14) ausschließlich die zweite Turbine (32) beaufschlagt.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Turbine (28) und/oder an der zweiten Turbine (32) eine Überbrückungsleitung (42, 44) mit Ventileinrichtung, insbesondere ein Wastegate, zum wenigstens teilweise vorbeileiten des Abgasmassenstromes an der jeweiligen Turbine (28, 32) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Frischluftstrang (18) stromab des ersten Verdichters (36) und/oder des zweiten Verdichters (38) wenigstens ein Druckregelventil (60) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Frischluftstrang (18) stromab des ersten Verdichters (36) und/oder des zweiten Verdichters (38) wenigstens eine Drosselklappe (56) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umluftleitung (46) mit einem Umluftventil (48) vorgesehenen ist, welche wahlweise den Frischluftstrang (18) stromab des zweiten Verdichters (38) mit dem Frischluftstrang (18) stromauf des zweiten Verdichters (38) strömungsleitend verbindet.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei Frischluft in wenigstens zwei Abgasturboladern mittels eines jeweiligen Verdichters verdichtet wird, wobei der jeweilige Verdichter von einer jeweiligen Abgasturbine angetrieben wird, wobei in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine einem ersten Abgasturbolader ein zweiter Abgasturbolader zugeschaltet wird, wobei vordem Zuschalten der zweite Abgasturbolader auf eine vorbestimmte Drehzahl beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung des zweiten Abgasturboladers auf die vorbestimmte Drehzahl wenigstens teilweise mittels eines bezüglich der Abgasturbine des zweiten Abgasturboladers zusätzlichen Antriebs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Drehzahl derart bestimmt wird, dass ein Druckverhältnis vor und nach der Turbine des zweiten Abgasturboladers einem Druckverhältnis vor und nach der Turbine des ersten Abgasturboladers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlicher Antrieb ein Elektromotor verwendet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschalten des zweiten Abgasturboladers mittels Öffnen einer Ventileinrichtung in einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuschalten des zweiten Abgasturboladers zusätzlich eine Ventileinrichtung in einem Frischluftstrang der Brennkraftmaschine geöffnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energie zum Antrieb des zusätzlichen Antriebs aus einem Energiespeicher, insbesondere einem Akkumulator für elektrische Energie, entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher mittels Rekuperation von Bremsenergie gespeist wird.