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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Turboaufladung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, und ein Turboaufladesystem zur Aufladung eines Verbrennungsmotors mit verdichteter Frischluft, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Die Aufladung von Verbrennungsmotoren, sowohl Dieselmotoren als auch Ottomotoren, ist seit vielen Jahrzehnten bekannt. Bei einer solchen Aufladung, welche bei der Verwendung von Abgasturbinen zur Rückgewinnung von Abgasenergie als Turboaufladung bezeichnet wird, wird dem Verbrennungsmotor im Vergleich zu Saugmotoren pro Kolbenhub eine größere Menge an Frischluft zur Verbrennung dadurch zugeführt, dass die in den Kolbenraum eingebrachte Frischluft durch wenigstens einen Verdichter im Frischluftstrom verdichtet wird. Bei der Verwendung einer Turbine zum Antrieb des Verdichters ist der Verdichter, vorliegend als Luftverdichter bezeichnet, in der Regel als Turboverdichter ausgeführt und sein Verdichterlaufrad kann beispielsweise auf einer gemeinsamen Welle – Turboladerwelle – mit dem Turbinenlaufrad der Abgasturbine angeordnet sein. Die Baugruppe aus Luftverdichter und Abgasturbine wird dann als Turbolader beziehungsweise Abgasturbolader bezeichnet.
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Um die steigenden Anforderungen der Verbrennungsmotoren bezüglich niedrigem Kraftstoffverbrauch, verringerter Abgasemission, gutem Ansprechverhalten, hohem Low-End-Torque und möglichst hoher Nennleistung bei gleichzeitig niedrigem Hubraum (Downsizing) realisieren zu können, werden in jüngerer Zeit gleich mehrere Turbolader in einem Antriebsstrang vorgesehen, um den Verbrennungsmotor, insbesondere Ottomotor, aufzuladen.
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Bisherige Auslegungen versuchen immer einen möglichst guten Kompromiss zwischen Low-End-Torque, das heißt einem großen zur Verfügung stehenden Drehmoment bereits bei einer kleinen Drehzahl des Verbrennungsmotors, und einer hohen Nennleistung zu erreichen. Da die typische Charakteristik des Ottomotors jedoch eine große Luftmassenstromspreizung aufweist, führen die bisherigen Ansätze häufig noch nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis.
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Ottomotoren, bei denen das Konzept des sogenannten Downsizings, das heißt der Verminderung des Hubraums, angewandt wird, benötigen aufgrund ihres geringen Hubraumes gerade im unteren Motordrehzahlbereich einen sehr hohen Ladedruck, um eine ausreichende Befüllung der Zylinder mit Frischluft zu erreichen und damit ein hohes spezifisches Drehmoment zu gewährleisten.
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Die Registeraufladung, bei welcher zwei Turbolader parallel zueinander im Frischluftstrom und Abgasstrom angeordnet sind, ist ein geeignetes Mittel, um die geforderte Luftmassenstromspreizung des Ottomotors umzusetzen. Eine solche Registeraufladung wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 061 345 A1 beschrieben. Bei kleineren Drehzahlen des Verbrennungsmotors wird einer der beiden Turbolader außer Betrieb gesetzt beziehungsweise aus dem Abgasstrom geschaltet, sodass der Verbrennungsmotor nur mit dem anderen Turbolader aufgeladen wird. Wenn hingegen bei größeren Drehzahlen des Verbrennungsmotors ein ausreichend großer Abgasstrom beziehungsweise ausreichend Abgasenergie zur Verfügung steht, wird der Verbrennungsmotor mittels beiden Turboladern, das heißt mit verdichteter Frischluft aus den Verdichtern beider Turbolader aufgeladen. Obwohl somit über einen großen Drehzahlbereich hinweg die verfügbare Abgasenergie weitgehend zur Aufladung des Verbrennungsmotors herangezogen werden kann, erzeugt das System für die heutigen Ansprüche im unteren Motordrehzahlbereich einen zu geringen Ladedruck.
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Beim System der Stufenaufladung sind zwei unterschiedlich große Abgasturbolader in Reihe zueinander geschaltet. Dabei wird der Abgasstrom zunächst in einer Hochdruckturbine expandiert und anschließend in einer der Hochdruckturbine nachgeschalteten Niederdruckturbine. Bei großen Abgasmengen, wie sie bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors auftreten, kann ein Teil des Abgasstroms über einen Bypass um die Hochdruckturbine herumgeleitet werden, um ein Sperren der Hochdruckturbine zu vermeiden. Ein solches System wird beispielsweise in der Patentschrift
DE 102 22 919 B4 oder
DE 101 44 663 B4 beschrieben.
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Obwohl somit verschiedene Aufladekonzepte mit mehreren Turboladern zur Aufladung eines Verbrennungsmotors bekannt sind und in der Praxis erfolgreich umgesetzt werden, besteht aufgrund der genannten steigenden Anforderungen ein fortwährender Bedarf an weiteren Verbesserungen. Gleichzeitig soll jede Verbesserung jedoch mit möglichst geringem konstruktiven Mehraufwand und weitgehend ohne Zusatzkosten bei der Herstellung des entsprechenden Antriebsstranges auskommen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turboaufladesystem beziehungsweise ein Verfahren zum Steuern der Turboaufladung anzugeben, welches die genannten Anforderungen besser als die bekannten Systeme erfüllt und zugleich kostengünstig und möglichst ohne zusätzlichen konstruktiven und baulichen Aufwand umsetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Turboaufladesystem mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Ein erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass auf große Teile bestehender und in der Praxis bewährter Systeme zurückgegriffen werden kann, ohne aufwändige neue Komponenten, beispielsweise weitere Aufladestufen beziehungsweise Turbolader, einzusetzen. Vielmehr ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, vorhandene Aufladestufen durch eine geschickte Umschaltung über dem Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors, insbesondere Ottomotors, optimal an die herrschenden Randbedingungen anzupassen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die vorliegende Erfindung, die gemäß einer Ausführungsform genau zwei Turbolader, das heißt zwei Abgasturbinen und zwei Luftverdichter aufweist, nicht mit weiteren Turboladern oder einem sogenannten Turbocompoundsystem kombiniert werden kann.
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Im Einzelnen sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern der Turboaufladung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Ottomotors, vor, die Abgasenergie des Verbrennungsmotors durch im Abgasstrom positionierte Abgasturbinen in Antriebsenergie umzuwandeln und zum Antrieb von Luftverdichtern in einem dem Verbrennungsmotor zur Verbrennung zugeführten Frischluftstrom zu verwenden, wobei in einem ersten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors eine Hochdruckturbine und eine Niederdruckturbine im Abgasstrom in Reihe zueinander mit Abgas beaufschlagt werden und die von diesen angetriebenen Luftverdichter, nämlich ein Niederdruckverdichter und ein Hochdruckverdichter, in Reihe zueinander im Frischluftstrom angeordnet sind und den dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom verdichten, um den Verbrennungsmotor mit beiden Luftverdichtern aufzuladen. Üblicherweise treibt die Niederdruckturbine, also die Abgasturbine, welche im Abgasstrom in Strömungsrichtung des Abgases stromab der Hochdruckturbine angeordnet ist, den Niederdruckverdichter an, und die Hochdruckturbine, also die Abgasturbine, die entsprechend im Abgasstrom stromauf der Niederdruckturbine angeordnet ist, treibt den Hochdruckverdichter an. Der Hochdruckverdichter ist jener Luftverdichter, der stromabwärts des Niederdruckverdichters angeordnet ist, also mit dem bereits im Niederdruckverdichter verdichteten Frischluftstrom beschickt wird. Günstig ist es dabei, wenn der Niederdruckverdichter und die Niederdruckturbine eine gemeinsame Turboladerwelle aufweisen, welche das Verdichterlaufrad und das Turbinenlaufrad trägt, und entsprechend der Hochdruckverdichter und die Hochdruckturbine eine gemeinsame Turboladerwelle aufweisen, welche die entsprechenden Laufräder trägt, um zwei Turbolader auszubilden.
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Erfindungsgemäß wird in einem zweiten, vom ersten Drehzahlbereich abweichenden Drehzahlbereich der Verbrennungsmotor mit verdichteter Frischluft aus nur einem der beiden genannten Luftverdichter – Hochdruckverdichter oder Niederdruckverdichter –, vorteilhaft ausschließlich aus dem Niederdruckverdichter, aufgeladen, wobei auch hier der Luftverdichter durch die ihm zugeordnete Abgasturbine, beim Niederdruckverdichter in der Regel der Niederdruckturbine, angetrieben wird, indem diese Abgasturbine weiter durch das Abgas beaufschlagt wird.
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In einem dritten, vorm ersten und vom zweiten Drehzahlbereich abweichenden Drehzahlbereich wird der Verbrennungsmotor wiederum mit verdichteter Frischluft aus den beiden Luftverdichtern – Hochdruckverdichter und Niederdruckverdichter – aufgeladen, welche in diesem Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors jedoch parallel zueinander arbeiten, das heißt, in dem dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom parallel zueinander angeordnet sind und den Verbrennungsmotor mit verdichteter Frischluft beschicken. Jeder der beiden Luftverdichter wird von jeweils einer der beiden Abgasturbinen, vorteilhaft der Hochdruckverdichter durch die Hochdruckturbine und der Niederdruckverdichter durch die Niederdruckturbine, angetrieben, wobei die beiden Abgasturbinen parallel zueinander im Abgasstrom mit Abgas beaufschlagt angeordnet sind.
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Vorteilhaft grenzen die drei Drehzahlbereiche ohne Überlappung aneinander an. Bei einem Ottomotor kann beispielsweise die Drehzahlgrenze zwischen dem ersten Drehzahlbereich und dem zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors zwischen 2000 und 3000 U/min, insbesondere bei 2500 U/min liegen, und die Drehzahlgrenze zwischen dem zweiten und dem dritten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors kann beispielsweise zwischen 4000 und 5000 U/min, beispielsweise bei 4500 U/min liegen. Selbstverständlich sind andere Drehzahlgrenzen vorstellbar. Insbesondere bei Anwendung der Erfindung bei einem Dieselmotor werden die Drehzahlgrenzen niedriger liegen.
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Um im zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors den an der Gleitlagerung des nicht zur Aufladung herangezogenen Turboladers anliegenden Öldruck sicher zu beherrschen, ist es von Vorteil, den Rotor weiter umlaufen zu lassen, insbesondere mit einer gegenüber dem Nennbetrieb verminderten Drehzahl. Dies ermöglicht ferner eine raschere Zuschaltung dieses Turboladers, wenn er wieder in Betrieb genommen wird. Günstig ist es daher, in dem zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors beide Abgasturbinen durch Abgasbeaufschlagung in Umlauf zu versetzen beziehungsweise im Umlauf zu halten und jedoch nur einen der beiden zugeordneten Luftverdichter mit dem dem Verbrennungsmotor zur Aufladung zugeführten Frischluftstrom zu beaufschlagen. Der andere Luftverdichter kann beispielsweise ebenfalls mit Frischluft beaufschlagt werden, diese Frischluft jedoch durch einen Verdichterbypass, der insbesondere unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts des Luftverdichters in der Luftleitung mündet oder innerhalb des Luftverdichters selbst ausgeführt ist, in einer Kreislaufströmung „pumpen”, wobei in dem Verdichterbypass ein Ventil, insbesondere in Form eines Schubumluftventils angeordnet sein kann, um den Bypass zu öffnen oder zu schließen.
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Um dieses Umlaufen im Leerlauf oder Schubumluftbetrieb des nicht zur Aufladung herangezogenen Luftverdichters im zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors zu gewährleisten, ist es in der Regel ausreichend, die Abgasturbine, die dem leerlaufenden Luftverdichter zugeordnet ist, mit nur einem vergleichsweise geringen Anteil des Abgasstromes des Verbrennungsmotors zu beaufschlagen, wohingegen vorteilhaft der übrige (abzüglich eines eventuell durch eine Abgasrückführung auf die Frischluftseite des Verbrennungsmotors geleiteten Anteils), vergleichsweise größere oder deutlich größere Anteil der Abgasturbine zugeleitet wird, welche den Luftverdichter antreibt, mittels welchem der Verbrennungsmotor aufgeladen wird. Beispielsweise beträgt der Anteil des Abgasstromes, der der Abgasturbine des leerlaufenden oder im Umluftbetrieb arbeitenden Luftverdichters zugeführt wird, weniger als 20 Prozent oder weniger als 10 Prozent des vom Verbrennungsmotor erzeugten Abgasmassenstromes, der nicht über die Abgasrückführung auf die Frischluftseite rückgeführt wird.
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Besonders günstig ist es, wenn beim Übergang vom zweiten Drehzahlbereich zum dritten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors, das heißt beim Übergang von der Turboaufladung mit nur einem Turbolader (nur ein Frischluftverdichter verdichtet den dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom) zur Aufladung mit zwei Turboladern (dem Verbrennungsmotor wird verdichtete Frischluft aus beiden Verdichtern zugeführt) die Abgasturbine des Luftverdichters, der zur Aufladung zugeschaltet wird, das heißt im zweiten Drehzahlbereich den Verbrennungsmotor nicht auflädt, zunächst durch zunehmende Abgasbeaufschlagung beschleunigt wird, bis sie die Nenndrehzahl der gewünschten folgenden Aufladung erreicht, und anschließend der zugeordnete Luftverdichter in den dem Verbrennungsmotor zur Aufladung zugeführten Frischluftstrom geschaltet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine entsprechende sukzessive Zuschaltung beim Übergang vom zweiten Drehzahlbereich auf den ersten Drehzahlbereich, das heißt wenn gemäß der üblichen Ausführungsform mit Zuordnung des ersten Drehzahlbereiches den kleinsten Drehzahlen und des dritten Drehzahlbereiches den größten Drehzahlen die Drehzahl abnimmt, vorzusehen.
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Der dritte Drehzahlbereich kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich unterteilt sein, wobei im ersten Teilbereich, in der Regel bei vergleichsweise kleineren Drehzahlen des Verbrennungsmotors, sämtliches aus dem Verbrennungsmotor austretendes Abgas, das nicht in einer Abgasrückführung auf die Frischluftseite rückgeführt wird, beiden Abgasturbinen gemeinsam zugeführt wird, und in dem zweiten Teilbereich ein Teil des nicht in der Abgasrückführung auf die Frischluftseite rückgeführten Abgases in einem oder mehreren Bypässen an beiden Abgasturbinen vorbeigeleitet wird. Pro Abgasturbine kann jeweils wenigstens ein Bypass vorgesehen sein, oder es kann auch ein gemeinsamer Bypass für beide Abgasturbinen vorgesehen sein.
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Ein erfindungsgemäßes Turboaufladesystem umfasst entsprechend neben den beiden Abgasturbinen und den beiden Luftverdichtern sowie einer Vielzahl von im Frischluftstrom und im Abgasstrom angeordneten Ventilen, mittels welchen die Abgasbeaufschlagung der Abgasturbinen und die Frischluftbeaufschlagung der Luftverdichter veränderbar einstellbar ist, um diese mehr oder minder mit Abgas oder Frischluft zu beaufschlagen, eine Steuervorrichtung, welche die Ventile zur Veränderung der Beaufschlagung der Abgasturbinen mit Abgas des Abgasstromes und der Luftverdichter mit Frischluft des Frischluftstromes ansteuert, die derart eingerichtet ist, dass sie ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt, das heißt in Abhängigkeit der Drehzahl des Verbrennungsmotors die Ventile mehr oder minder öffnet oder schließt, um in dem ersten Drehzahlbereich die Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine im Abgasstrom in Reihe zueinander geschaltet mit Abgas zu beaufschlagen und die von diesen Abgasturbinen angetriebenen Luftverdichtern, nämlich den Niederdruckverdichter und den Hochdruckverdichter, in Reihe zueinander im Frischluftstrom angeordnet zur Aufladung des Verbrennungsmotors zu betreiben, im zweiten Drehzahlbereich entsprechend nur einen Turbolader aus Abgasturbine und Luftverdichter zu betreiben und im dritten Drehzahlbereich wiederum beide Turbolader zu betreiben, diesmal jedoch parallel zueinander angeordnet.
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Unter Ventilen sind dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Strömungsorgane zu verstehen, welche die gewünschte Aufteilung des Abgasstromes beziehungsweise des Frischluftstromes ermöglichen, somit nicht nur Stellventile mit einem verlagerbaren Ventilkörper und einem Ventilsitz oder Wegeschieber.
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Eine oder beide Abgasturbinen können mit einem variablen Einlass versehen sein, beispielsweise in Form einer sogenannten variablen Turbinengeometrie (VTG) oder einer variablen Düse (VN: Variable Nozzle), um die Anströmung des Abgases auf das Turbinenlaufrad gezielt zu verändern. Hierzu können beispielsweise die dem Turbinenlaufrad in Strömungsrichtung vorgeschalteten Leitschaufeln gegenüber der Anströmung variabel anstellbar sein oder Leitorgane mehr oder minder in den Abgasstrom einbringbar sein.
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Um hohe Massenströme trotz geringer Massenträgheit durch die Turbinen durchsetzen zu können, kann eine oder können beide Abgasturbinen als Diagonalturbine ausgeführt sein. Entsprechendes gilt für die Luftverdichter, dann als Diagonalverdichter bezeichnet.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäß ausgeführtes Turboaufladesystem im ersten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors;
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2 das Turboaufladesystem aus der 1 im zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors;
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3 das Turboaufladesystem aus den 1 und 2 im dritten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors.
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In der 1 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, mit einer Frischluftseite 11 und einer Abgasseite 12.
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Über die Abgasseite 12 wird das Abgas des Verbrennungsmotors ausgeleitet, gegebenenfalls ein Teil desselben über eine Abgasrückführung der Frischluftseite 11 erneut zugeführt (hier schematisch durch 17 dargestellt) und das verbleibende Abgas über eine Abgasanlage (nicht dargestellt) in Form eines Abgasstromes an die Umgebung abgegeben. Im Abgasstrom sind zwei Turbolader angeordnet, nämlich ein Hochdruckturbolader HD und ein Niederdruckturbolader ND. Jeder Turbolader weist eine Abgasturbine und einen Luftverdichter auf, wobei vorliegend die Niederdruckturbine mit 13 und der Niederdruckverdichter mit 14, die Hochdruckturbine mit 15 und der Hochdruckverdichter mit 16 beziffert sind.
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Im in der 1 dargestellten Betriebszustand, in welchem die Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 im ersten Drehzahlbereich liegt, erfolgt eine zweistufige Aufladung des Verbrennungsmotors 10 mit in Reihe geschalteten Turboladern.
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Von der Abgasseite 12 des Verbrennungsmotors 10 strömt das Abgas in eine Abgasleitung 18, die in beiden Abgasturbinen 13, 15 auf deren Eingangsseite, in der Regel in einem Spiralgehäuse mündet. In Strömungsrichtung des Abgases vor der Niederdruckturbine 13 ist in der Abgasleitung 18 ein erstes Abgasventil 3 zum Absperren des Zweigs der Abgasleitung 18 angeordnet, der in der Niederdruckturbine 13 mündet. Ferner verbindet eine Abgasverbindungsleitung 19 die Abströmseite der Hochdruckturbine 15 mit der Einströmseite der Niederdruckturbine 13, um die gewünschte Reihenschaltung im ersten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 10 herstellen zu können. In der Abgasverbindungsleitung 19 ist ein zweites Abgasventil 5 zum Absperren der Abgasverbindungsleitung 19 angeordnet.
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Beide Luftverdichter 14, 16 sind mit ihrer Ausgangsseite über eine Luftleitung 20 an der Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors 10 angeschlossen. Stromabwärts des Hochdruckverdichters 16 ist in der Luftleitung 20 ein erstes Luftventil 1 angeordnet, um den Zweig der Luftleitung 20, der den Hochdruckverdichter 16 mit der Frischluftseite 11 verbindet, abzusperren. Die Auslassseite des Niederdruckverdichters 14 ist über eine Luftverbindungsleitung 21 mit der Einlassseite des Hochdruckverdichters 16 verbunden. Die Luftverbindungsleitung 21 kann über ein zweites Luftventil 2 abgesperrt werden, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel das zweite Luftventil 2 als Zwei-Wege-Stelleinrichtung, insbesondere 2/3-Wegeventil ausgeführt ist, um entweder die Luftverbindungsleitung 21 abzusperren und zugleich die direkte Verbindung zwischen dem Niederdruckverdichter 14 und der Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors 10 freizugeben oder um die direkte Verbindung zwischen dem Niederdruckverdichter 14 und der Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors 10 abzusperren und zugleich die Luftverbindungsleitung 21 freizugeben.
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Stromaufwärts des Hochdruckverdichters 16 und stromabwärts der Hochdruckturbine 15 sind weitere Ventile 8, 9 vorgesehen, um die Einlassseite des Hochdruckverdichters 16 in Strömungsrichtung vor der Einmündung der Luftverbindungsleitung 21 und die Auslassseite der Hochdruckturbine 15 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Einmündung der Abgasverbindungsleitung 19 abzusperren. Vorliegend wird das Ventil 8 stromaufwärts des Hochdruckverdichters 16 als Lufteinlassventil und das Ventil 9 stromabwärts der Hochdruckturbine 15 als Abgasauslassventil bezeichnet.
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Um beide Abgasturbinen 13, 15 ist jeweils eine Bypassleitung 22, 23 geführt, die über jeweils ein Ventil 4, 6, in der Regel als Wastegate ausgeführt, absperrbar ist. Ferner ist um den Hochdruckverdichter 16 ein Bypass 24 geführt, mit einem Absperrventil 7, auch als Schubumluftventil bezeichnet.
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Eine oder mehrere Steuereinrichtungen greifen steuernd auf die zahlreichen dargestellten Ventile zu, um durch Öffnen und Schließen derselben die Abgasführung und Frischluftführung einzustellen.
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Im ersten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 10 wird das erste Abgasventil 3 geschlossen und so der Abgasstrom (Abgasmassenstrom) von der Abgasseite 12 des Verbrennungsmotors 10 ausschließlich in Richtung der Hochdruckturbine 15 geleitet. Dabei kann das Ventil 6 (Wastegate) in der Bypassleitung 23 anfangs geschlossen sein. Aufgrund dessen, dass das Abgasauslassventil 9 geschlossen ist und das zweite Abgasventil 5 in der Abgasverbindungsleitung 19 geöffnet ist, strömt sämtliches aus der Hochdruckturbine 15 austretendes Abgas eingangsseitig in die Niederdruckturbine 13 ein und wird dort in einer zweiten Stufe entspannt.
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Verdichterseitig wird der angesaugte Frischluftstrom (Luftmassenstrom) über den Niederdruckverdichter 14 zur Zwei-Wege-Stelleinrichtung (Ventil 2) geführt und von dieser ausschließlich in Richtung der Einlassseite des Hochdruckverdichters 16 geleitet. Das Einlassluftventil 8 ist geschlossen, um sicherzustellen, dass die über die Luftverbindungsleitung 21 strömende Luft ausschließlich in Richtung des Hochdruckverdichters 16 strömt. Aus dem Hochdruckverdichter 16 strömt die verdichtete Luft dann über die Luftleitung 20 zur Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors 10. Das Ventil 7 in der Bypassleitung 24 zum Hochdruckverdichter 16 ist geschlossen.
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Somit wird eine Reihenaufladung des Verbrennungsmotors 10 erreicht.
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In der 2 sind nun die Massenströme – Frischluftstrom und Abgasstrom – sowie die Schaltstellungen der verschiedenen Ventile im zweiten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 10 gezeigt. In diesem Drehzahlbereich wird der Hochdruckturbolader (Hochdruckturbine 15 und Hochdruckverdichter 16) entkoppelt und der Niederdruckturbolader (Niederdruckturbine 13 und Niederdruckverdichter 14) übernimmt die vollständige Aufladung des Verbrennungsmotors 10. Hierzu wird beim Übergang vom ersten Drehzahlbereich zum zweiten Drehzahlbereich das zweite Abgasventil 5 sukzessive geschlossen, während das erste Abgasventil 3 simultan geöffnet wird. Zudem kann eine Wastegate-Regelung (mittels der Bypassleitung 22 und dem Ventil 4) vorgesehen sein.
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Verdichterseitig wird die Zwei-Wege-Steileinrichtung (zweites Luftventil 2) betätigt, um den aus dem Niederdruckverdichter 14 austretenden Frischluftstrom ausschließlich der Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors zuzuführen, und das erste Luftventil 1 stromaufwärts des Hochdruckverdichters 16 wird geschlossen, um eine Luftzufuhr aus dem Hochdruckverdichter 16 zur Frischluftseite 11 des Verbrennungsmotors 10 beziehungsweise eine Rückströmung von verdichteter Luft aus dem Niederdruckverdichter 14 am Verbrennungsmotor 10 vorbei in Richtung zum Hochdruckverdichter 16 zu vermeiden.
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Da am Hochdruckturbolader immer noch der Öldruck für die Gleitlagerung anliegt, ist es günstig, den Rotor aus dem Turbinenrad der Hochdruckturbine 15 und dem Verdichterrad aus dem Hochdruckverdichter 16 auf einer reduzierten Drehzahl zu halten. Hierzu können das zweite Abgasventil 5 sowie das Ventil 7 in der Bypassleitung 24 gesteuert beziehungsweise geregelt werden und insbesondere das Lufteinlassventil 8 geöffnet werden.
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Die Bypassleitung 23 zur Hochdruckturbine 15 bleibt vorteilhaft durch das Ventil 6 abgesperrt.
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Bei einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 im Übergang vom zweiten Drehzahlbereich zum dritten Drehzahlbereich, bei welcher der Niederdruckverdichter 14 nahe der Schluckgrenze und damit verbunden auch in Bereichen schlechterer Wirkungsgrade arbeitet, wird der Hochdruckturbolader wieder in Betrieb genommen, sodass sich der in der 3 gezeigte Zustand ergibt. Hierbei wird der Hochdruckturbolader wie in einer Registeraufladung parallel zum Niederdruckturbolader geschaltet. Dadurch können beide Turbolader im Bereich höherer Wirkungsgrade betrieben und durch den dadurch ermöglichten erhöhten Massendurchsatz, sowohl verdichterseitig wie turbinenseitig, kann eine erhöhte Leistung des Verbrennungsmotors 10 erzielt werden.
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Beim Übergang vom zweiten zum dritten Drehzahlbereich beziehungsweise von der einfachen Turboaufladung auf die doppelte Turboaufladung wird beim Erreichen der Kennfeldgrenzen des Niederdruckverdichters 14 das Abgasauslassventil 9 sukzessive geöffnet. Das Ventil 7 in der Bypassleitung 24 bleibt anfangs immer noch geöffnet, da auf der Hochdruckseite (Systemgrenze HD) zunächst kein Ladedruck aufgebaut wird, sondern der Hochdruckturbolader zunächst auf die Rotordrehzahl gebracht werden soll, mit welcher der gewünschte Betriebspunkt (Verdichterdruckverhältnis und Luftmassenstrom) dargestellt werden kann. Ist diese Rotordrehzahl erreicht, wird das Ventil 7 in der Bypassleitung 24 zum Hochdruckverdichter 16 derart geregelt, dass sich der gewünschte Ladedruck einstellt.
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Bei Erreichen des notwendigen Ladedruckes werden die Ventile 1, 3 und 9 dynamisch gesteuert oder geregelt. Dabei kann die Ansteuerung derart erfolgen, dass keiner der Verdichter 14, 16 die Pumpgrenze überschreitet. Bei einem großen Abgasstrom im Bereich der größeren Drehzahlen im dritten Drehzahlbereich, das heißt bei Nennleistung des Verbrennungsmotors 10, sind die beiden dargestellten Turbolader-Wastegates – Bypassleitungen 22, 23 mit Ventilen 4, 6 – zum größten Teil geöffnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006061345 A1 [0006]
- DE 10222919 B4 [0007]
- DE 10144663 B4 [0007]
