DE102009051591A1

DE102009051591A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung durch unterschiedlich angesteuerte Auslassventile

Info

Publication number: DE102009051591A1
Application number: DE102009051591A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gotter; Alexander Gotter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken, mit mindestens einem Zylinder, mit jeweils mindestens zwei Auslassventilen je Zylinder, welche auf unterschiedliche Abgaszüge geleitet werden, wobei mindestens einer dieser Abgaszüge mit einer Entspannungsturbine verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Abgaszüge unter höherem Druck stehendes und heißeres Abgas ausgeschoben wird als in den anderen Abgaszug sowie Ventilansteuerungsverfahren zur Steuerung und Regelung dieser Brennkraftmaschine

Description

Kurzbeschreibung
Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken, mit mindestens einem Zylinder, mit jeweils mindestens zwei Auslassventilen je Zylinder, welche auf unterschiedliche Abgaszüge geleitet werden, wobei mindestens einer dieser Abgaszüge mit einer Entspannungsturbine verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Abgaszüge unter höherem Druck stehendes und heißeres Abgas ausgeschoben wird als in den anderen Abgaszug sowie Ventilansteuerungsverfahren zur Steuerung und Regelung dieser Brennkraftmaschine
Aufgabenstellung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist die Steigerung des Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors mit Hilfe einer verbesserten Aufladetechnik. Dies geschieht durch Ausnutzung des Twin-AV-Verfahrens mit intelligenter Ventilansteuerung über verstellbare Nockenwellen. Ebenso ist die Verbesserung des Verbrauchs eines Automobils, gerade in Kombination mit Hybridantrieb Ziel der Erfindung. Dies wird durch die Wirkungsgradsteigerung in der Nähe des Bestpunktes eines aufgeladenen Verbrennungsmotors erreicht.
Stand der Technik
Brennkraftmaschinen nach dem Ottoverfahren erreichen in Kraftfahrzeugen heute Wirkungsgrade bis etwa 35% im optimalen Betriebspunkt, Dieselmotorische Brennkraftmaschinen erreichen bis zu 42%. Durch die Aufladung der Brennkraftmaschinen wird eine Leistungssteigerung und durch das damit verbundene Downsizing eine Verbesserung des Teillastwirkungsgrades erreicht, der maximale Wirkungsgrad wird jedoch nur kaum oder gar nicht verbessert. Hybrid-Fahrzeugkonzepte ermöglichen einen Betrieb der Brennkraftmaschine nahe dem optimalen Betriebspunkt. Daher ist gerade bei den Hybrid-Konzepten eine Verbesserung des optimalen Wirkungsgrades wichtig für weitere Verbrauchsreduktionen. Gleiches gilt für Nutzfahrzeuge und stationäre Brennkraftmaschinen, beispielsweise in Blockheizkraften, welche permament im Bereich nahe des optimalen Wirkungsgrades betrieben werden.
Nachteilig bei Turboaufladeverfahren nach Stand der Technik ist der durch die Abgasturbine erzeugte, unvermeidliche Abgasgegendruck. Bei Brennkraftmaschinen nach Stand der Technik muss dieser Abgasgegendruck zum Großteil von der Hubkolbenmaschine in Form von Ausschiebearbeit geleistet werden. Nur ein Teil der gewonnen Arbeit an der Abgasturbine wird durch die Abgaswärme erzeugt, der Rest wird von der Hubkolbenmaschine selbst aufgewendet.
Ein Verfahren, welches die Ausschiebearbeit vermeidet, indem die zwei Auslassventile unterschiedlich angesteuert werden, ist in DE 10 2007 038 073 A1 (TwinAV-Verfahren) beschrieben. Eine grundsätzliche geeignete Vorrichtung wurde bereits in DE19955090A1 beschrieben, jedoch ohne das Potential der Wirkungsgradsteigerung zu erkennen und auszunutzen. Es handelt sich hierbei um Verfahren zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades einer Brennkraftmaschine, indem der Abgasgegendruck während des Ausschiebevorgangs reduziert wird, während nur ein Teil des Abgases über die Entspannungsturbine, welche Teil eines Abgasturboladers ist, strömt. Bei beiden Erfindungen bleibt offen, wie die Ansteuerung der Ventile zu erfolgen hat oder es wird das Vorhandensein eines Elektromechanischen- oder hydraulischen Ventiltriebes impliziert. Diese Ansteuerverfahren sind technisch nicht ausgereift und sehr kostenintensiv, so dass sie für eine Anwendung in großer Stückzahl nicht in Frage kommen.
Ähnliche Konfigurationen sind in DE 10 2007 046 658 A1 , DE 0000 10 243 473 A1 , DE 10 2005 039 012 A1 sowie DE 10 2005 055 996 A1 beschrieben. Diese Verfahren haben gemeinsam, dass zwei Abgasturbinen zur Anwendung kommen, wovon jeweils eine durch eines der beiden Auslassventile je Zylinder angesteuert wird. Offensichtliches Ziel dieser Erfindungen ist die effiziente Regelung einer solchen Brennkraftmaschine und nach Möglichkeit der Verzicht auf ein Wastegate, also einem Bypassventil, welches nach Stand der Technik einen Teil der Abgase an der Abgasturbine vorbei leitet (verschwendet), um die Drehzahl der Turbine und damit den Ladedruck der Brennkraftmaschine zu regeln. Eine Regelung über ein Wastegate bedeutet unnötig hohen Abgasgegendruck, welcher durch diese Erfindungen etwas reduziert wird. Eine Ansteuerung der Auslassorgane derart, dass jeglicher Abgasgegendruck vermieden wird, ist in dieser Anordnung nicht möglich, zum einen, da keine genaue Strategie zur Ansteuerung der Auslassorgane offengelegt ist, diese aber fundamental für das Gelingen des Verfahrens ist, und zum anderen, da hinter jeden der beiden Auslassventile jeweils mindestens eine Abgasturbine angeordnet ist. Eine Abgasturbine erzeugt aber in jedem Falle einen Gegendruck.
Eine weitere Variation ist in DE 10 2009 043 721 A1 beschrieben. Hierbei sind in der Vorrichtung zusätzlich zu der eigentlichen Brennkraftmaschine und der Abgasturbine noch weitere Verdichter und Turbinen vorhanden. Eine Aufteilung des Abgases gemäß TwinAV-Anordnung findet hier statt. Die Entspannung des Abgases im Niederdruck-Abgaszug findet jedoch nicht gegen Umgebung, sondern gegen ein Druckniveau statt, welches durch weitere nachgeschaltete Turbinen verursacht wird. Die Entspannungsarbeit wird hier dennoch optimal umgesetzt. Auch bei diesem Verfahren ist jedoch nicht eindeutig beschrieben, wie die Auslassorgane angesteuert werden.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine praktikable Realisierung eines Aufladeverfahrens für Brennkraftmaschinen durch unterschiedliche Ansteuerung zweier Auslassorgane je Zylinder, vorzugsweise ausgeführt als Pilzventile, wovon eines das Abgas in eine Turbine leitet und das andere das Abgas an dieser Turbine vorbei leitet (TwinAV-Verfahren). Das TwinAV-Verfahren ermöglicht bei geeigneter zeitlicher Ansteuerreihenfolge eine hohe Turbinenleistung der Abgasturbine, während der Abgasgegendruck, welcher während des Ausschiebevorgangs auf die Hubkolbenmaschine wirkt, näherungsweise Umgebungsdruck ist. Ein höherer Gegendruck als Umgebungsdruck wird fast nur durch Strömungsverluste, nicht jedoch aufgrund von Turbinenarbeit geleistet. Eine Ausnahme besteht lediglich bei Spätverstellung zur Steigerung des Low-End-Drehmoments. Ein positives Spülgefälle ist hier ebenfalls jederzeit, auch bei hohen Motordrehzahlen, möglich. Dieses hilft zusätzlich Motorklopfen zur vermeiden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird dieses Verfahren durch Nockenwellen und Nockenwellenverstelleinrichtungen nach Stand der Technik realisiert. Dies sind beispielsweise Nockenwellenphasensteller, ausgeführt als Flügelzellenversteller an einem Ende der Nockenwelle, oder sogenannte Cam-in-Cam-Phasenversteller, bei dem zwei ineinanderliegende Nockenwellen gegeneinander verdreht werden können. Letztere Ausführung ermöglicht eine besonders platzsparende Realisierung des Verfahrens. Weiterhin sind Verfahren zur Hubvariation und zur Deaktivierung eines Auslassventils verschiedentlich bekannt und bereits in großer Stückzahl produziert und technisch bewährt, vorzugsweise jedoch auf der Einlassseite.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung sieht eine Brennkraftmaschine, vorzugsweise einen Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Dieselverfahren, mit mindestens zwei Auslassventilen je Zylinder vor, welche über Nockenwellen angetrieben werden. Dabei sieht das Ausführungsbeispiel als Anwendung in einem Fahrzeug, vor dass mindestens eine Auslassnockenwelle in ihrer Phase, also dem Zeitpunkt des Ventilöffnens und -Schließens, verstellbar ist. Die Verstellung ermöglicht die Regelung des Ladedruckes und somit des Lastpunktes der Brennkraftmaschine. ( und )
Die zweite Auslassnockenwelle kann ebenfalls in Ihrer Phase verstellbar sein. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren in weiten Kennfeldbereichen, insbesondere auch bei hohen Drehzahlen einen großen Verbrauchsvorteil liefert. ( ) Eine Hubverstellung-, Umschaltung oder Abschaltung des Niederdruckauslassventils mittels bekannten Verstellmechanismen ermöglicht insgesamt spätere Steuerzeiten und damit insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen einen höheren Durchsatz durch die Turbine und damit ein schnelleres Ansprechverhalten des Turboladers und eine besonders niedrige Drehzahl, bei der bereits das maximale Drehmoment erreicht wird. Dies wird mit geringfügig erhöhter Ladungswechselarbeit erkauft, ist jedoch immer noch günstiger als mit konventioneller Aufladung. ( )
Unabhängig davon ist eine Verstellung der Einlassnockenwelle möglich. Dies ermöglicht eine Anpassung der Einlasssteuerzeit an die optimale Füllung bei Volllast und weiterhin eine Regelung der verbleibenden Abgasmasse im Zylinder beim Ladungswechsel sowie die Realisierung des Verfahrens „frühes Einlass schließt” oder „spätes Einlass schließt” in Teillast und der Volllast. Letzteres ist insbesondere durch die vorhandene Aufladung der Brennkraftmaschine sinnvoll, da mittels Aufladung und gleichzeitiger Füllungsreduktion durch die Steuerorgane zusätzliche Wirkungsgradsteigerungen erreicht werden können. Ähnliche Verfahren, jedoch basierend auf konventioneller Aufladetechnik, sind als Miller-Verfahren oder Atkinson-Verfahren bekannt.
Die Ausgestaltung der Abgasturbine erfolgt dabei derart, dass ihr Turbineneintrittsquerschnitt deutlich kleiner ist als bei konventionellen Aufladeverfahren. Dieser liegt bei ca. 35 bis 90% der üblichen Turbinengröße, während der Verdichter nahezu unverändert ist. Infolge dessen ist auch das Turbinendruckverhältnis an der Abgasturbine deutlich höher. Obwohl der Massenstrom, der durch die Turbine geleitet wird, nur ca. 45 bis 95% des Gesamt-Abgasmassenstromes beträgt, ist die Arbeit, die durch die Turbine geleistet wird gleich hoch wie bei konventioneller Auslegung. Dies wird durch das höhere Turbinendruckverhältnis bewirkt.
Die Größe der Auslassventile ist bei Brennkraftmaschinen nach Stand der Technik, welche vorzugsweise als Hubkolbenmaschinen ausgeführt sind, deutlich kleiner als die der Einlassventile, gemessen am Ventiltellerdurchmesser. Zur Vermeidung von Strömungswiderständen ist es erfinderisch sinnvoll, Aus- und Einlassventile gleich groß zu dimensionieren oder gar die Auslassventile geringfügig größer auszugestalten als die Einlassventile. Diese Konfiguration ermöglicht eine Ausführung mit reduzierten Strömungsverlusten,
Figurenbeschreibung/Bezugszeichenliste
: Überblick Abgassystem
: Anordnung mit 3 Nockenwellen
: Anordnung mit 2 Nockenwellen
: Anordnung mit 2 Nockenwellen, davon einmal Cam-in-Cam
: Steuerzeiten Normalfall (mittlere Drehzahl, hohe Last, nahe optimalem Betriebspunkt)
: Steuerzeiten niedrigste Drehzahl, Volllast
: Steuerzeiten höhere Drehzahlen
Steuerzeiten zur Ladedruckregelung in der Teillast
Relevante Patentklassen

F02B 29/08
F02B 37/013
F02G 5/02

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007038073 A1 [0005]
DE 19955090 A1 [0005]
DE 102007046658 A1 [0006]
DE 000010243473 A1 [0006]
DE 102005039012 A1 [0006]
DE 102005055996 A1 [0006]
DE 102009043721 A1 [0007]

Claims

Brennkraftmaschine, vorzugsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen oder Blockheizkraftwerken, mit mindestens einem Zylinder, mit jeweils mindestens zwei Auslassventilen je Zylinder, welche auf unterschiedliche Abgaszüge geleitet werden, wobei mindestens einer dieser Abgaszüge mit einer Entspannungsturbine verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Abgaszüge unter höherem Druck stehendes und heißeres Abgas ausgeschoben wird als in den anderen Abgaszug.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungsturbine die Turbine eines Abgasturboladers ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Entspannungsturbine oder dem Turbolader ein Leistungsüberschuss entsteht, welcher entweder mechanisch, elektromotorisch oder pneumatisch auf die Hauptkurbelwelle übertragen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Auslassventile von jeweils einer eigenen von einer Nockenwelle vorgegeben Nockenkontur angesteuert werden, welche direkt oder mittels Kipp- oder Schlepphebel die Ventile betätigt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Nockenwellen relativ zueinander drehbar zu verstellen sind, vorzugsweise mittels Phasensteller und optional beide Nockenwellen gegenüber der Einlassnockenwelle verstellbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinderkopf zwei Auslassnockenwellen vorhanden sind, wobei einer direkt über dem Auslassventil sitzt und ein Auslassventil direkt oder über Schlepphebel ansteuert und die andere Nockenwelle zum Auslassventil hin versetzt ist und das andere Auslassventil über Stössel oder Kipphebel betätigt ( ), wobei diese Nockenwelle optional zusätzlich noch andere Funktion wie Einlassventile ansteuern haben kann, aber nicht muss. ( )
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Nockenprofile eine gemeinsame Drehachse besitzen und aus einer inneren und einer äußeren Teilwelle bestehen, welche relativ zueinander verstellt werden können (Cam-in-Cam-System). ( )
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Nockenkonturen durch eine weitere mechanische Verstelleinheit derart beeinflusst werden kann, dass der Hub dieser Nockenkontur variabel ist oder gleich 0 gesetzt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventile der Brennkraftmaschine größer als üblich sind, daran gemessen, dass der Ventiltellerdurchmesser mindestens 93% des Ventiltellerdurchmessers der Einlassventile beträgt, wobei dieser vorzugsweise 95 bis 120% des Ventiltellerdurchmessers der Einlassventile beträgt.
Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck und damit auch Drehzahl und Leistung der Entspannungsturbine sowie die Leistung der Hubkolbenmaschine dadurch geregelt wird, indem die beiden Auslassnockenwellen relativ zueinander verdreht werden, oder der Ventilhub zumindest einer der beiden Nockenwellen verstellt wird.
Verfahren zum Warmlauf einer Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Warmlaufs nur eines der beiden Auslassventile geöffnet wird, so dass das Abgas vor Erreichen des Katalysators nur wenige Bauteile mit sehr geringer Oberfläche berührt.