DE102009014915A1

DE102009014915A1 - Ladesystem zur Aufladung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102009014915A1
Application number: DE102009014915A
Authority: DE
Inventors: Frank Pflueger
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladesystem (1) zur Aufladung einer Brennkraftmaschine (2), mit einer Niederdruckstufe (3) sowie einer ersten Hochdruckstufe (4) und einer zweiten Hochdruckstufe (5), wobei
- letztere parallel zueinander geschaltet und frischgasseitig stromab der Niederdruckstufe (3) angeordnet sind,
- abgasseitig zwischen der Brennkraftmaschine (2) und der zweiten Hochdruckstufe (5) eine erste Schaltklappe (8) angeordnet ist,
- frischgasseitig zwischen der Niederdruckstufe (3) und der zweiten Hochdruckstufe (5) eine zweite Schaltklappe (9) angeordnet ist,
- zwischen der Brennkraftmaschine (2) und der Niederdruckstufe (3) eine regelbare Bypassklappe (10) zur Umgehung der beiden Hochdruckstufen (4, 5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladesystem zur Aufladung einer Brennkraftmaschine.
So genannte Downsizing-Konzepte bei Verbrennungsmotoren erfordern zur Realisierung hoher Mitteldrücke sehr leistungsfähige Ladesysteme, die sich einerseits durch hohe Ladedrücke bei niedrigen Motordrehzahlen, breite Verdichterkennfelder und hohe Verdichter- und Turbinenwirkungsgrade auszeichnen und andererseits schnell auf Laständerungen reagieren können. Zur Realisierung hoher Lade- und Mitteldrücke ist eine Verdichtung mit einer einzigen Stufe nicht mehr ausreichend: durch eine reine, das heißt ungeregelte zweistufige Aufladung können neben der Darstellung hoher Ladedrücke insgesamt, bessere Wirkungsgrade erreicht werden. Durch eine ungeregelte, zweistufige Aufladung erfüllt dabei jedoch nicht die Anforderungen, die ein dynamischer Motorbetrieb stellt.
Bei der so genannten Registeraufladung werden je nach Last und Drehzahl einzelne Turboladergruppen über Abgas- und Luftklappen zu- oder abgeschaltet. Jeder der Abgasturbolader kann somit entsprechend seiner ihm eigenen Kapazität luft- und abgasseitig mit hohen Wirkungsgraden betrieben werden. Die Registeraufladung bietet sich in erster Linie für Brennkraftmaschinen an, die zwar in unterschiedlichen Drehzahlbereichen betrieben werden, jedoch keine zu hohe Schaltfrequenz aufweisen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Ladesystem zur Aufladung einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit welchem insbesondere ein harmonischer Drehmomentverlauf über einen weiten Motordrehzahlbereich erreicht werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Ladesystem zur Aufladung einer Brennkraftmaschine mit einer Niederdruckstufe sowie zwei schalt- bzw. regelbaren Hochdruckstufen auszustatten, wobei es durch die Anordnung von Schalt- bzw. Regelklappen möglich ist, den Abgasmassenstrom entweder auf eine der beiden Hochdruckstufen, ausschließlich über die Niederdruckstufe oder aber auf alle drei Druckstufen in nahezu beliebigen Massenanteilen aufzuteilen. Mit dieser neuen, zweistufigen und geregelten Registeraufladung können ein besonders harmonischer Drehmomentverlauf über den gesamten Motordrehzahlbereich, hohe effektive Mitteldrücke und ein hervorragend transientes Verhalten dargestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Ladesystem zur Aufladung der Brennkraftmaschine sind die beiden Hochdruckstufen parallel zueinander geschaltet und frischgasseitig stromab der Niederdruckstufe angeordnet. Zwischen der Brennkraftmaschine und der zweiten Hochdruckstufe ist dabei abgasseitig eine erste Schaltklappe angeordnet, während zwischen der Niederdruckstufe und der zweiten Hochdruckstufe eine zweite Schaltklappe vorgesehen ist. Zwischen der Brennkraftmaschine und der Niederdruckstufe ist darüber hinaus eine regelbare Bypassklappe zur Umgehung der beiden Hochdruckstufen angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist zumindest einer der Druckstufen noch ein Ladeluftkühler zugeordnet. Ziel eines derartigen Ladeluftkühlers ist die Erhöhung der Leistung bzw. des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine durch eine Verringerung der Temperatur der zugeführten Luft, wodurch eine im gleichen Volumen größere Luftmenge je Verbrennungstakt zugeführt und dadurch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ladesystems.
Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßes Ladesystem 1 zur Aufladung einer Brennkraftmaschine 2 eine Niederdruckstufe 3 sowie eine erste Hochdruckstufe 4 und eine zweite Hochdruckstufe 5 auf. Die beiden Hochdruckstufen 4 und 5 sind dabei parallel zueinander geschaltet und frischgasseitig stromab der Niederdruckstufe 3 angeordnet. An der Brennkraftmaschine 2 ist dabei eine Frischgasseite mit dem Bezugszeichen 6 und eine Abgasseite mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Abgasseitig zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der zweiten Hochdruckstufe 5 ist dabei eine erste Schaltklappe 8 angeordnet, während frischgasseitig zwischen der Niederdruckstufe 3 und der zweiten Hochdruckstufe 5 eine zweite Schaltklappe 9 vorgesehen ist. Die erste und die zweite Schaltklappe 8, 9 erlauben dabei ein sowohl frischgasseitiges als auch abgasseitiges, völliges Abklemmen der zweiten Hochdruckstufe 5. Zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Niederdruckstufe 3 ist darüber hinaus eine regelbare Bypassklappe 10 zur Umgehung der beiden Hochdruckstufen 4 und 5 angeordnet. Jeweils stromab der Druckstufen 3, 4 und 5 können dabei jeweils zu geordnete Ladeluftkühler 11, 11' und 11'' vorgesehen sein, welche eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine 2 bewirken.
Die Niederdruckstufe 3 kann dabei bspw. eine Niederdruckturbine 13, einen Niederdruckverdichter 14, eben erwähnten Ladeluftkühler 11 sowie einen nicht gezeigten Turbinenbypass umfassen. In gleicher Weise kann die erste Hochdruckstufe 4 eine Hochdruckturbine 14, einen Hochdruckverdichter 15 sowie den Ladeluftkühler 11' umfassen. Gleiches gilt mit den Bezugszeichen 14' und 15' für die zweite Hochdruckstufe 5.
Betrachtet man das erfindungsgemäße Ladesystem 1 gemäß der 1, so kann man erkennen, dass die Niederdruckstufe 3 und die erste Hochdruckstufe 4 üblicherweise stets von einem zumindest geringfügigen Abgasstrom durchströmt sind, während die zweite Hochdruckstufe 5 sowohl abgasseitig als auch frischgasseitig sperrbar ist. Darüber hinaus kann zumindest eines der nicht näher bezeichneten Turbinengehäuse der Niederdruckstufe 3 oder der beiden Hochdruckstufen 4, 5 ein- oder zwei- oder mehrflutig ausgebildet sein, wobei in zumindest einer der Druckstufen 3, 4 oder 5 zusätzlich oder alternativ eine variable Turbinen- oder Verdichtergeometrie vorgesehen sein kann.
Generell können mit dem erfindungsgemäßen Ladesystem 1 ein harmonischer Drehmomentverlauf über die gesamte Motordrehzahl, hohe effektive Mitteldrücke sowie ein ausgezeichnetes transientes Verhalten dargestellt werden. Das erfindungsgemäße Ladesystem 1 ermöglicht dabei folgende Funktionen:
In einer ersten Phase, in welcher ein lediglich geringer Abgasmassenstrom und/oder ein geringer Beschleunigungsvorgang herrschen, wird nur eine der beiden Hochdruckstufen 4, 5 direkt mit Abgas versorgt, sodass die Ansaugluft durch die Niederdruckstufe 3 ohne nennenswerte Verdichtung hindurch strömt. Vor zugsweise wird dabei durch die erste Schaltklappe 8 die zweite Hochdruckstufe 5 abgeschaltet, sodass mit der ersten Hochdruckstufe 4 ein schnell ansprechender Turbolader zur Verfügung gestellt werden kann, der den gewünschten erhöhten Ladedruck mit zeitlich kurzer Verzögerung aufbauen kann. Die erste Phase wird dabei bis zu Drehzahlen von ca. 1500 U/min gefahren.
Mit steigender Drehzahl wird die Ansaugluft in der Niederdruckstufe 3 vorverdichtet und in einer nachfolgenden Hochdruckstufe 4, 5 hoch verdichtet. In diesem Übergangsbereich liegt somit eine zweistufige Verdichtung vor, wobei Niederdruckstufe 3 über die Bypassklappe 10 zunehmend beaufschlagt wird und dadurch ihre Vorverdichtungsarbeit leisten kann. Um einen harmonischen Drehmomentverlauf über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 2 darstellen zu können, muss in einem Bereich zwischen 1500 und 3000 U/min, das heißt in einer zweiten Phase, ein kontinuierlicher Übergang zwischen der Hochdruckstufe 4 und der Niederdruckstufe 3 erfolgen. Über ein Öffnen der ersten Schaltklappe kann zudem die zweite Hochdruckstufe 5 auf eine gewisse Start-Drehzahl angehoben und damit ein transientes Verhalten des Ladesystems 1 weiter verbessert werden.
In einer dritten Phase, das heißt bei höheren Drehzahlen ab ca. 3000 U/min, wird vorzugsweise der gesamte Abgasmassenstrom durch die Niederdruckstufe 3 geleitet, sodass dieser die gesamte Verdichtungsarbeit übernehmen kann. Die beiden Hochdruckstufen 4 und 5 drehen bei diesen Drehzahlen mit einer gewissen Mindestdrehzahl mit und begünstigen somit das transiente Verhalten.
Im Bereich sehr hoher Drehzahlen, das heißt bspw. oberhalb von 3500 U/min, wird nunmehr die Frischluft in der Niederdruckstufe 3 vor verdichtet und in den beiden nachfolgenden Hochdruckstufen 4 und 5 nochmals hoch verdichtet. In diesem Bereich liegt also wieder eine zweistufige Verdichtung vor, wobei der ge samte Frischluftmassenstrom die beiden Hochdruckstufen 4, 5 mit hohen Wirkungsgraden besetzen kann.
Das erfindungsgemäße Ladesystem 1 verbindet somit die Vorteile einer zweistufigen, geregelten Aufladung mit denen der Registeraufladung. Dabei wird es ermöglicht, die Grenzen der einstufigen Aufladung zu überschreiten und somit eine weitere Steigerung der Leistungsdichte bei einem transienten Verhalten auf hohem Niveau realisieren zu können. Selbstverständlich kann dabei optional zur weiteren Leistungssteigerung ein oder mehrere Ladeluftkühler 11, 11' oder 11'' vorgesehen werden.

Claims

Ladesystem (1) zur Aufladung einer Brennkraftmaschine (2), mit einer Niederdruckstufe (3) sowie einer ersten Hochdruckstufe (4) und einer zweiten Hochdruckstufe (5), wobei – letztere parallel zueinander geschaltet und frischgasseitig stromab der Niederdruckstufe (3) angeordnet sind, – abgasseitig zwischen der Brennkraftmaschine (2) und der zweiten Hochdruckstufe (5) eine erste Schaltklappe (8) angeordnet ist, – frischgasseitig zwischen der Niederdruckstufe (3) und der zweiten Hochdruckstufe (5) eine zweite Schaltklappe (9) angeordnet ist, – zwischen der Brennkraftmaschine (2) und der Niederdruckstufe (3) eine regelbare Bypassklappe (10) zur Umgehung der beiden Hochdruckstufen (4, 5) angeordnet ist.
Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckstufe (3) nachfolgende Komponenten aufweist, eine Niederduckturbine (12), einen Niederdruckverdichter (13), einen Ladeluftkühler (11), einen Turbinenbypass.
Ladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hochdruckstufe (4) nachfolgende Komponenten aufweist, eine Hochdruckturbine (14), einen Hochdruckverdichter (15), einen Ladeluftkühler (11').
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hochdruckstufe (5) nachfolgende Komponenten aufweist, eine Hochdruckturbine (14'), einen Hochdruckverdichter (15'), einen Ladeluftkühler (11'').
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckstufe (3) und die erste Hochdruckstufe (4) stets von einem zumindest geringfügigen Abgasstrom durchströmt sind, während die zweite Hochdruckstufe (5) sowohl abgasseitig als auch frischgasseitig sperrbar ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Turbinengehäuse zweiflutig ausgebildet ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Druckstufe (3, 4, 5) eine variable Turbinen-/Verdichtergeometrie vorgesehen ist.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass die beiden Hochdruckstufen (4, 5) ein gemeinsames, insbesondere spiegelsymmetrisches, Turbinengehäuse aufweisen, und/oder – dass die beiden Hochdruckstufen (4, 5) unterschiedliche Drehrichtungen aufweisen.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Turbinengehäuse zusammen mit einem Abgassammelrohr ein gemeinsames Bauteil bilden.
Ladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Verdichtergehäuse ein gemeinsames Bauteil bilden.