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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 1.
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Aus dem Serienbau von Verbrennungskraftmaschinen ist die so genannte Registeraufladung bekannt, bei welcher zwei parallel geschaltete, abwechselnd betreibbare Abgasturbolader vorgesehen sind. Dabei ist einer der beiden Abgasturbolader als kleinerer Abgasturbolader ausgebildet, das heißt, dass er im Verhältnis zu dem zweiten Abgasturbolader eine geringere Massenträgheit und infolge dessen ein besonders schnelleres Anlauf- bzw. Hochlaufverhalten aufweist, weswegen dieser kleinere Abgasturbolader überwiegend in niedrigen Drehzahlbereichen der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. Ab einer bestimmten Drehzahl wird der zweite Turbolader zugeschaltet, so dass der Abgasvolumenstrom auf zwei Abgasturbolader ihren Durchsätzen gemäß aufgeteilt wird. Die beiden Abgasturbolader sind dabei auf ihren jeweiligen Wirkungsbereich abgestimmt, wobei überwiegend der kleinere Abgasturbolader das so genannte Turboloch reduziert. Allerdings ist es nicht zwingend notwendig, dass mit Hilfe des kleineren Abgasturboladers angefahren wird, es kann ebenso mit Hilfe des größeren Abgasturboladers angefahren werden, so dass in einem höheren Drehzahl- und/oder Lastbereich der kleinere Abgasturbolader zugeschaltet wird.
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Der größere Abgasturbolader ist abhängig von seiner Auslegung in niedrigen Drehzahlbereichen nicht in der Lage, eine bestimmte Drehzahl schnell genug zu erreichen und damit einen Überdruck im Ansaugbereich aufzubauen.
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Welcher der beiden Abgasturbolader zugeschaltet wird hängt grundsätzlich von der gewünschten Betriebsstrategie ab.
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Bei bekannten Konzepten sind aufwendige Ventileinrichtungen vonnöten, die die Kosten für die bekannten Konzepte unerwünschter Weise ansteigen lassen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, sodass eine Kostenreduzierung ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird von einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfasst eine erste und zumindest eine zweite, jeweils einen Verdichter aufweisende Aufladeeinrichtung, insbesondere Abgasturbolader, deren Verdichter ausgangsseitig fluidisch miteinander gekoppelt sind, wobei stromauf des Verdichters der zweiten Aufladeeinrichtung eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein dem Verdichter der zweiten Aufladeeinrichtung zuführbarer Strom eines durch diesen Verdichter zu verdichteten Mediums, insbesondere Luft, einstellbar ist und welches von einem durch diesen Verdichter erzeugten Unterdruck betätigbar ist.
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Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine weist somit eine Registeraufladung mit zwei parallel geschalteten Aufladeeinrichtungen auf, die in bestimmten Drehzahl- und Leistungsbereichen der Verbrennungskraftmaschine, jeweils optimal darauf abgestimmt, einsetzbar sind und das besagte, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Medium verdichten. Bei diesem Medium handelt es sich, beispielsweise um Luft, die von der Umgebung der Verbrennungskraftmaschine angesagt wird.
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Ist nun eine Aufladeeinrichtung in Betrieb, so wird das der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Medium von dieser bzw. von deren Verdichter verdichtet. Da die Verdichter der beiden Aufladeeinrichtungen beispielsweise eingangsseitig fluidisch miteinander gekoppelt sind, verhindert die Ventileinrichtung ein Überströmen von dem Verdichter der sich im Betrieb befindlichen Aufladeeinrichtung zu dem Verdichter der sich nicht im Betrieb befindlichen, zweiten Aufladeeinrichtung, was einen effizienten Betrieb der sich im Betrieb befindlichen Aufladeeinrichtung und damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
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Aufgrund der ausgangsseitigen Kopplung der Verdichter verhindert die Ventileinrichtung eine Fehlströmung des verdichteten Mediums über den Verdichter der sich nicht in Betrieb befindlichen Aufladeeinrichtung an die Umgebung, was einen effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung stark negativ beeinflussen würde.
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Dadurch ist das gesamte der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Medium mittels der ersten Aufladeeinrichtung verdichtbar, und es kommt zu keinem Fehl- bzw. Leckagestrom des zu verdichteten sowie des verdichteten Medium über die sich nicht in Betrieb befindliche Aufladeeinrichtung bzw. deren Verdichter.
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Dadurch, dass die Ventileinrichtung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine nun von dem durch diesen Verdichter erzeugten bzw. erzeugbaren Unterdruck betätigbar ist, sind zusätzliche Regel- und/oder Betätigungseinrichtungen zur Regelung bzw. Betätigung der Ventileinrichtung nicht vonnöten. Dies hält sowohl die Kosten als auch das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine in Grenzen, was einem geringen Energieverbrauch zum Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt, insbesondere in Zusammenhang mit mobilen Anwendungen, beispielsweise zum Antreiben eines Kraftwagens. Dies bedeutet somit eine Kostenreduzierung für die Verbrennungskraftmaschine als auch einen geringen Kraftstoffverbrauch und damit geringe CO2-Emissionen.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Verdichter eingangsseitig nicht notwendigerweise gekoppelt sein müssen. In diesem Falle erlaubt die Ventileinrichtung dadurch, dass die Verdichter ausgangsseitig fluidisch miteinander gekoppelt sind, eine unerwünschtes Fehlströmung des von der ersten Aufladeeinrichtung bzw. von dem Verdichter der ersten Aufladeeinrichtung verdichteten Mediums über den Verdichter der zweiten Aufladeeinrichtung an die Umgebung, wodurch die verdichtete Luft nicht der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden könnte.
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Die Vermeidung dieses Fehlstromes erlaubt ebenso einen besonders effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine, womit ebenso die Vorteile eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs sowie geringer CO2-Emissionen einhergehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine kann es sich um einen Dieselmotor oder um einen Ottomotor oder um jedwede anderweitige Art von Verbrennungskraftmaschine handeln, die mittels der beschriebenen Aufladeeinrichtungen aufgeladen ist.
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Die erwähnte, eingangsseitige, fluidische Kopplung bzw. Koppelbarkeit der Verdichter ist beispielsweise derart ausgebildet, dass die Verdichter das zu verdichtende Medium, beispielsweise Luft, aus zumindest einer gemeinsamen Leitung und/oder zumindest aus einem gemeinsamen Sammelvolumen beziehen, wobei die Ventileinrichtung in der einen gemeinsamen Leitung fluidisch gesehen zwischen den Verdichtern stromauf des Verdichters der zweiten Aufladeinrichtung angeordnet ist. Dies reduziert die Teileanzahl und damit die Kosten sowie das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine, woraus die in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteile resultieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Aufladeeinrichtung zu- bzw. abschaltbar, was beispielsweise mittels einer zweiten Ventileinrichtung auf Seiten einer Turbine, mittels welcher der Verdichter antreibbar ist, dargestellt ist.
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Die besagte, erste Ventileinrichtung ist dabei beispielsweise zwischen einer den Strom des zu verdichteten Mediums unterbrechenden Schließstellung und zumindest einer den Strom des zu verdichteten Mediums freigebenden Offenstellung betätigbar, wobei die erste Ventileinrichtung in eine den Strom des zu verdichteten Mediums freigebende Offenstellung betätigbar ist, wenn der Verdichter der zweiten Aufladeeinrichtung das zu verdichtende Medium zumindest im Wesentlichen auf den gleichen Druck verdichtet wie der Verdichter der ersten Aufladeeinrichtung.
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Vorteilhafterweise ist zumindest ein Federelement vorgesehen, welches eine definierte Lage, insbesondere die Schließstellung, der ersten Ventileinrichtung infolge einer Kraftbeaufschlagung der Ventileinrichtung durch eine Federkraft des Federelements gewährleistet. Diese Federkraft ist dabei mit dem Öffnungszeitpunkt der Ventileinrichtung abzustimmen, wobei die Ventileinrichtung in Zusammenhang mit der Drehzahl des Verdichters der zweiten Aufladeeinrichtung weder zu spät noch zu früh öffnen darf um einen reibungslosen und effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtungen zu realisieren.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten und zumindest einer zweiten, jeweils einen Verdichter aufweisenden Aufladeeinrichtung, insbesondere Abgasturbolader, deren Verdichter ausgangsseitig fluidisch miteinander gekoppelt sind, wobei stromauf des Verdichters der zweiten Aufladeeinrichtung eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein dem Verdichter der zweiten Aufladeeinrichtung zuführbarer Strom eines durch diesen Verdichter zu verdichtenden Mediums eingestellt wird und welches von einem durch diesen Verdichter erzeugten Unterdruck betätigt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekt der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine und umgekehrt anzusehen. Somit ermöglicht auch das Verfahren eine kostengünstige Darstellung sowie einen kostengünstigen und gleichzeitig effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ohne aufwendige Betätigungs- bzw. Regeleinrichtungen zur Betätigung der Ventileinrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine; und
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2 jeweils eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Ventileinrichtung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gemäß 1 in zwei einen Strom eines zu verdichtenden Mediums unterbrechenden Schließstellungen sowie in einer den Strom des zu verdichtenden Mediums freigebenden Offenstellung.
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Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit sechs Arbeitsräumen in Form von Zylindern 12, 14, 16, 18, 20, 22, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch von jeweils einem Kolben verdichtet und anschließend durch Fremd- oder Selbstzündung entzündet wird.
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Zur Darstellung hoher spezifischer Leistungen und Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine 10 weist diese eine erste Aufladeeinrichtung in Form eines ersten Abgasturboladers 24 auf, der wiederum einen Verdichter 26 sowie eine Turbine 28 aufweist.
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Des Weiteren ist eine zweite Aufladeeinrichtung in Form des zweiten Abgasturboladers 30 vorgesehen, der ebenso einen Verdichter 32 sowie eine Turbine 34 aufweist. Die Abgasturbolader 24 und 30 sind dabei parallel zueinander geschaltet, wodurch eine Registeraufladung der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt ist. Die Verdichter 26 und 32 sind dabei ausgangsseitig fluidisch miteinander gekoppelt, das heißt sie fördern die zu verdichtende Luft in ein gemeinsames Volumen.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, sind die Turbinen 28 und 34 über entsprechende Verrohrungen 36 auf einer Abgasseite 38 der Verbrennungskraftmaschine 10 mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 beaufschlagbar. Dabei wird die Energie des Abgases genutzt, um die jeweilige Turbine 28 und 34 anzutreiben, worüber wiederum die Verdichter 26 bzw. 32 angetrieben werden.
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Nach erfolgter Beaufschlagung der Turbinen 28 und 34 strömt das Abgas durch weitere Verrohrungen 40 zu einer Abgasreinigungsanlage 42, die beispielsweise einen Oxidationskatalysator sowie einen Partikelfilter umfasst, woraufhin das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 44 an die Umwelt strömt.
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Außerdem ist eine Abgasrückführeinrichtung 46 vorgesehen, mittels welcher Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 von der Abgasseite 38 auf die Ansaugseite 48 der Verbrennungskraftmaschine 10 rückführbar ist. Eine Menge des rückzuführenden Abgases ist aber mittels eines Abgasrückführventils 50 einstellbar, wobei also eine von der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß Richtungspfeilen 52 und 54 auf der Ansaugseite 48 angesaugte Luft mit diesem Abgas beaufschlagbar ist. Diese Abgasrückführung mittels der Abgasrückführungseinrichtung 46 erlaubt dabei eine Reduzierung von Emissionen, insbesondere Stickoxidemissionen, der Verbrennungskraftmaschine 10.
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Wie der 1 zu entnehmen ist, strömt die gemäß den Richtungspfeilen 52 und 54 angesaugte Luft zunächst durch Luftfilter 56 und 58 und anschließend durch Luftmassenmesser in Form von Heißfilmluftmassenmessern 60 und 62, bevor sie den Verdichtern 26 und 32 zugeführt und verdichtet wird.
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Die infolge dieser Verdichtung erwärmte Luft strömt anschließend zunächst durch einen die Luft kühlenden Ladeluftkühler 64, woraufhin sie gegebenenfalls mit dem rückgeführten Abgas aufschlagt und der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
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Die Regelung der durch die Abgasturbolader 24 und 32 dargestellten Registeraufladung erfolgt dabei folgender Maßen: der Abgasturbolader 24 befindet sich in Betrieb, wobei dessen Turbine 28, die beispielsweise eine Verstelleinrichtung 66 zur Beeinflussung von Strömungsparametern beispielsweise am Turbineneintritt aufweist, mit Abgas beaufschlagt wird und somit den Verdichter 26 antreibt. Der zweite Abgasturbolader 30 befindet sich dabei nicht in Betrieb, was derart realisiert ist, dass die Beaufschlagung der Turbine 34 durch eine steuerbare bzw. regelbare Ventileinrichtung 68 verhindert ist, die eine Beaufschlagung der Turbine 34 vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 verhindert, indem sie einen Einströmquerschnitt am Turbineneintritt der Turbine 34 versperrt.
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Dies kann beispielsweise bei niedrigen Drehzahlen und Lasten der Verbrennungskraftmaschine 10 der Fall sein, wobei der erste Abgasturbolader 24 ein der Betriebsstrategie angepasst gewünschtes Betriebsverhalten aufweist und diese Betriebsstrategie ein Zuschalten des zweiten Abgasturbolader 32 erst bei höheren Drehzahlen und/oder Lasten erfordert.
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Bei sich im Betrieb befindlichem Verdichter 26 und sich nicht im Betrieb befindlichem Verdichter 32 auf Grund der Vermeidung der Umströmung der Turbine 34 durch die entsprechende Sperrstellung der Ventileinrichtung 68 bestimmt der Verdichter 26 den Druck, der ausgangsseitig am Verdichter 32 anliegt. Stromauf des Verdichters 32 des Abgasturboladers 30 ist nun eine Ventileinrichtung 70 vorgesehen, mittels welcher ein dem Verdichter 32 zuführbarer Strom der angesaugten und zu verdichtenden Luft einstellbar ist und welches von einem durch den Verdichter 32 erzeugten Unterdruck betätigbar ist. Steht der Verdichter 32 wie im vorliegenden Fall still, also befindet er sich nicht im Betrieb, so liegt der durch den Verdichter 26 bestimmte Druck durch den stehenden Verdichter 32 hindurch bis an die Ventileinrichtung 70 an.
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Bei Bedarf, das heißt beispielsweise bei steigenden Drehzahlen und Leistungen der Verbrennungskraftmaschine 10, wird der Turbolader 30 bzw. dessen Turbine 34 zur Realisierung hoher Massendurchsätze des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeschaltet. Das bedeutet, dass also die Ventileinrichtung 68 den Einströmquerschnitt stromauf der Turbine 34 frei gibt, woraufhin also die Turbine 34 und damit der Verdichter 32 an- und hochläuft. Da der Verdichter 32 noch nicht in Betrieb ist, nimmt er noch keine Leistung auf und bremst die Turbine 34 noch nicht ab.
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Wäre die Ventileinrichtung 70 stromab des Verdichters 32 angeordnet, würde während dieses An- und Hochlaufs ein massives Pumpen des Verdichters 32 auftreten, da der Verdichter 32 den Druck in ein geschlossenes Volumen hinein aufbauen will, welches sich wiederum entspannen will, was zu den bekannten Pumpen führen würde. Dies ist dadurch verhindert, dass die Ventileinrichtung 70 stromauf des Verdichters 32 angeordnet ist, was das Pumpen vermeidet, da bei einem An- bzw. Hochlauf des Verdichters 32 ein Unterdruck stromauf des Verdichters 32 aufgebaut wird.
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Die Ventileinrichtung 70 ist des Weiteren vorteilhafterweise selbstregelnd und öffnet bei genau der richtigen Drehzahl des Verdichters 32, was dann der Fall ist, wenn der Verdichter 32 mit einer Drehzahl dreht, sodass das Druckverhältnis, mit dem er ein Volumen stromauf seiner selbst, also zwischen der Ventileinrichtung 70 und dem Verdichter 32 vorspannt, genauso groß ist, dass die Ventileinrichtung 70 mittels dieses Unterdrucks in ihre den Luftstrom freigebende Offenstellung betätigt wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Druck stromauf des Verdichters, also zwischen Ventileinrichtung 70 und Verdichter 32 auf 1 bar abgesunken ist und somit die Ventileinrichtung 70 sowohl von stromauf ihrer selbst mit 1 bar Umgebungsdruck als auch stromab ihrer selbst mit 1 bar beaufschlagt wird. In diesem Falle verdichtet der Verdichter 32 auf den gleichen Druck wie der erste Verdichter 26, der, wie beschrieben, den Druck ausgangsseitig des Verdichters 32 vorgibt.
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Dieses exakte Öffnen der Ventileinrichtung 70 ermöglicht somit einerseits eine Darstellung eines Druckverhältnisses, um eine Luftförderung zur Verbrennungskraftmaschine 10 zu ermöglichen sowie die Vermeidung einer Überdrehzahl des Abgasturboladers 30 was zu einer Zerstörung desselbigen führen würde.
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Durch diese selbst regelende Ausbildung der Ventileinrichtung 70 sind kosten- und gewichtsintensive, zusätzliche Regelungseinrichtung zur Betätigung bzw. Regelung der Ventileinrichtung 70 nicht vonnöten, was einerseits die Kosten und andererseits das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine 10 gering hält.
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Die 2 zeigt in einer detaillierten schematischen Ansicht die Ventileinrichtung 70, wobei in der obersten Darstellung der Abgasturbolader 30 und damit dessen Verdichter 32 still steht. Dies ist beispielsweise bei Teillast- und/oder Volllast der Verbrennungskraftmaschine 10 der Fall. Der von dem Verdichter 26 erzeugte Überdruck liegt über Verrohrungen 72 durch den Verdichter 32 hindurch an der Ventileinrichtung 70 an und drückt zusammen mit einer Federkraft eines Federelements 76 ein Ventil 74 der Ventileinrichtung 70 auf dessen Sitz zur Darstellung der Schließstellung der Ventileinrichtung 70, wodurch der Strom der zu verdichtenden Luft unterbrochen ist. Stromauf der Ventileinrichtung 70 und damit des Ventils 74 liegt Umgebungsdruck an.
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Die mittlere Darstellung deutet einen Zuschaltvorgang des zweiten Abgasturboladers 30 und damit des zweiten Verdichters 32 an, wobei also der Abgasturbolader 30 und damit der Verdichter 32 an- und hochläuft. Mit steigender Drehzahl des Verdichters 32 sinkt in dem Volumen stromauf des Verdichters 32 und stromab des Ventils 74, zwischen der Ventileinrichtung 70 und dem Verdichter 32, der Druck bis in den Unterdruckbereich ab, wobei das Ventil 74 lediglich noch durch die Federkraft des Federelements 76 auf dessen Sitz gedrückt wird, was so lange der Fall ist, bis der Unterdruck groß genug ist, um das Ventil 74 der Ventileinrichtung 70 aufzusaugen, woraufhin die Ventileinrichtung 70 den Strom der zu verdichtenden Luft freigibt, was in der untersten Darstellung dargestellt und durch Richtungspfeile 78 und 80 angedeutet ist. Die Luft durchströmt nun die Ventileinrichtung 70 gemäß den Richtungspfeilen 78 und 80 und weiter gemäß einem Richtungspfeil 82 den Verdichter 32, der die Luft verdichtet und gemäß einem weiteren Richtungspfeil 84 in ein dem Verdichter 32 sowie dem Verdichter 26 gemeinsames Volumen fördert, woraufhin die Luft, wie bereits beschrieben, den Ladeluftkühler 64 durchströmt, gegebenenfalls mittels der Abgasrückführeinrichtung 46 mit Abgas beaufschlagt und schließlich der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführt wird. Der 2 deutlich zu entnehmen ist die selbstregelende Ausbildung der Ventileinrichtung 70, welche zusätzliche, gewichts- und kostenintensive Regelungseinrichtung vermeidet.
