DE102010053057A1

DE102010053057A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010053057A1
Application number: DE102010053057A
Authority: DE
Inventors: Michael Stiller; Dipl.-Ing. Kanning Kai; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried; Dipl.-Ing. Lorenz Tobias
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-06
Also published as: WO2012072183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (19) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Abgasturbolader (18), welcher ein in einem Abgastrakt (31) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnetes und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbares Turbinengehäuse (90) umfasst, in welchem ein von dem Abgas beaufschlagbares Turbinenrad (94) drehbar aufgenommen ist, und mit wenigstens einer Speisungseinrichtung (45), mittels welcher dem Abgasturbolader (18) Zusatzluft zuführbar ist, wobei die Speisungseinrichtung (45) wenigstens eine in dem Abgastrakt (31) angeordnete Einleitstelle (52) aufweist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 198 33 134 C1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader mit einem Verdichter in einem Ansaugtrakt und eine Turbine in einem Abgasstrang sowie einen Gasspeicher zur Aufnahme komprimierten Gases aufweist. Der Gasspeicher wird in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine aufgeladen oder entladen, wobei der Gasspeicher durch den Abgasgegendruck stromauf der Turbine mit Abgas gefüllt wird, welches beim Entladen des Gasspeichers zusätzlich den Abgasturbolader antreibt. Beim Entladen des Gasspeichers kann dessen Speicherinhalt dem Abgasstrang stromauf der Turbine zugeführt werden.
Die DE 101 58 874 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ansaugtrakt, wobei der Verdichter ein Verdichterrad in einem Einströmkanal im Verdichtergehäuse umfasst, und mit einer dem Verdichterbereich zugeordneten Zusatzluft-Einspeisungeinrichtung. Die Zusatzluft-Einspeisungseinrichtung umfasst einen Zusatzluftkanal im Verdichtergehäuse für die Zuführung von Zusatzluft, die über eine Einblasöffnung in der Wandung des Einströmkanals verdichtet in den Anströmbereich des Verdichterrades einzuleiten ist.
Die bekannten Lösungen weisen weiteres Potential auf, das Instationärverhalten aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche ein verbessertes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens umfasst wenigstens einen Abgasturbolader welcher, ein in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbares Turbinengehäuse umfasst. In dem Turbinengehäuse ist ein von dem Abgas beaufschlagbares und dadurch antreibbares Turbinenrad drehbar aufgenommen. Die Aufladeeinrichtung umfasst ferner wenigstens eine Speisungseinrichtung, mittels welcher dem Abgasturbolader Zusatzluft zuführbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Speisungseinrichtung wenigstens eine in dem Abgastrakt angeordnete Einleitstelle aufweist, über welche das Turbinenrad zum Antreiben desselbigen mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist. Dadurch können das Turbinenrad und damit der Abgasturbolader insbesondere zusätzlich zu der Beaufschlagung des Turbinenrads mit dem Abgas angetrieben werden. Dies ermöglicht es, einen Verdichter des Abgasturboladers auch in niedrigen Lastbereichen, in welchen nur geringe Massenströme des Abgases durch das Turbinengehäuse strömen und die Turbine antreiben, über die die Turbine vorteilhaft und mit hohen Drehzahlen anzutreiben. So kann der Verdichter auch in den niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschinen zuzuführende Luft besonders gut verdichten. Dadurch sind hohe Leistungen und Drehmomente realisierbar.
Zum Verdichten der Luft umfasst der Verdichter zum Beispiel ein mit einer Welle drehfest verbundenes Verdichterrad, wobei auch das Turbinenrad mit der Welle drehfest verbunden ist. Wird das Turbinenrad mit Abgas beaufschlagt und von diesem angetrieben, so treibt das Turbinenrad über die Welle auch das Verdichterrad an, welches dann die ein Verdichtergehäuse durchströmende und der Verbrennungskraftmaschinen zuzuführende Luft verdichten kann. Der Antrieb des Turbinenrads und damit des Verdichterrads hängt damit insbesondere ab von dem Massenstrom des Abgases, der das Turbinengehäuse durch – und das Turbinenrad anströmt. Insbesondere in niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine kann es zu geringen Massenströmen des Abgases kommen, so dass das insbesondere auf hohe Lastbereiche und daher gegebenenfalls ein hohes Trägheitsmoment aufweisende Turbinenrad nicht wie gewünscht angetrieben werden kann. Dadurch kommt es nur zu einem trägen Druckaufbau des Verdichters und damit zu einem trägen Leistungs- bzw. Drehmomentenaufbau der Verbrennungskraftmaschine. Dies führt zu einem unerwünschten Fahrverhalten, was als sogenanntes Turboloch spürbar ist.
Um dieses nachteilhafte Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine insbesondere bei einem Übergang von niedrigen zu demgegenüber höheren Lastbereichen zu vermeiden oder zumindest zu verbessern, ist es nun mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung möglich, das Turbinenrad und damit das Verdichterrad insbesondere zusätzlich mit der Zusatzluft anzutreiben. So kommt es auch in niedrigeren Lastbereichen zu einem besonders schnellen Druckaufbau des Verdichters und damit zu einer besonders schnellen Bereitstellung einer gewünschten Leistung bzw. eines gewünschten Drehmoments der Verbrennungskraftmaschine. Das sogenannten Turboloch wird dadurch vermieden oder zumindest reduziert.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung weist insbesondere den Vorteil auf, dass ein Einbringen der Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers bzw. des Turbinenrads nicht einem Ansaugtrakt sondern in dem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist. Das Einbringen von Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers in den Ansaugtrakt birgt den Nachteil, dass bei dieser Lösung wenigstens eine Ventileinrichtung im Ansaugtrakt vorgesehen sein muss, damit es zu keiner Rückströmung der in den Ansaugtrakt eingebrachten Zusatzluft zu dem ebenfalls in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter des Abgasturboladers kommt. Die Ventileinrichtung versperrt den Ansaugtrakt, damit es nicht zu dieser Rückströmung kommt. Dies bedeutet jedoch, dass der Verdichter gegen die geschlossene Ventilrichtung und damit gegen ein geschlossenes System fördert, so dass der Verdichter seine Pumpgrenze überschreitet, falls keine zusätzliche Abblasevorrichtung stromauf des Ventils vorgesehen ist.
Diese Problematik ist bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung vermieden. Zudem ist es bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung möglich, die Zusatzluft zumindest im Wesentlichen direkt auf das Turbinenrad zu leiten und es damit besonders effizient antreiben zu können. Darüber hinaus kann die Zusatzluft bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung mit einem wesentlich höheren Druck in den Abgastrakt eingebracht werden als in den Ansaugtrakt, so dass das Turbinenrad besonders vorteilhaft antreibbar ist. Zudem ist dabei keine aufwändige Druckregelung vonnöten. Des Weiteren ist es vermieden, dass der Verdichter an seine Pumpgrenze gelangt oder diese gar überschreitet.
Zur Darstellung eines besonders guten Instationarverhaltens der Verbrennungskraftmaschinen kann auch eine sogenannte variable Turbine als die Turbine des Abgasturboladers eingesetzt werden. Eine solche variable Turbine umfasst eine Verstelleinrichtung, mittels welcher Strömungsbedingungen in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads und/oder stromab desselbigen beeinflussbar sind. Die Verstelleinrichtung ermöglicht es beispielsweise, wenigstens einen Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads einzustellen, d. h. zu vergrößern oder demgegenüber zu verkleinern. Somit kann die Turbine an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine wirkungsgradgünstig angepasst werden.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung birgt den weiteren Vorteil, dass derartige Verstelleinrichtungen und damit zusätzliche Bauteile nicht notwendigerweise vonnöten sind, um ein sehr gutes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Dadurch weist die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung eine geringe Teileanzahl, ein geringes Gewicht und geringe Kosten auf.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ist bei Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen einsetzbar. Der Vorteil der geringen Kosten kommt jedoch insbesondere bei Verbrennungskraftmaschine für Nutzkraftwagen zum Tragen, da deren Wirtschaftlichkeit insbesondere auch von den Anschaffungskosten abhängt, die durch die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung gering gehalten werden können. Des Weiteren ermöglicht die Aufladeeinrichtung einen effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, so dass diese nur einen geringe Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO₂-Emissionen aufweist. Dies hält auch die Betriebskosten des Kraftwagens, insbesondere des Nutzkraftwagens, gering.
Die Einbringung der Zusatzluft in den Abgastrakt in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrads bewirkt aufgrund des Durchsatzverhaltens der Turbine neben einer Steigerung des Durchsatzes auch eine Vergrößerung des Turbinendruckverhältnisses (Druck stromauf des Turbinenrads im Verhältnis zum Druck stromab des Turbinenrads), wodurch ein überproportionaler Anstieg der Turbinenleistung mittels der gesteigerten und für den Abgasturbolader nutzbar gemachten Ausschubarbeit der Verbrennungskraftmaschine bewirkt wird. Der Effekt des gewünschten schnelleren Hochlaufs (Drehzahlbeschleunigung) des Verdichterrads insbesondere bei dem Übergang von niedrigen zu demgegenüber höheren Lastbereichen ist die Folge, was mit dem sehr guten Instationärverhalten und dem sehr guten Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine einher geht.
Mit der Realisierung eines sehr vorteilhaften Drehmomentenaufbaus der Verbrennungskraftmaschine infolge des sehr vorteilhaften Ladedruckaufbaus geht auch eine Reduzierung von Partikelemissionen insbesondere während Beschleunigungsphasen der Verbrennungskraftmaschine einher. Ein weiterer Effekt ist, dass die in den Abgastrakt, insbesondere in einen Austrittskrümmer der Verbrennungskraftmaschine, eingebrachte, insbesondere eingeblasene, Zusatzluft sozusagen als Restluft des Abgases über noch geöffnete Auslassventile der Verbrennungskraftmaschine vom Austritt derselbigen her in zumindest einen Brennraum, insbesondere einen Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann. Dies stellt eine weitere Entwicklungsoption für die Verbrennungskraftmaschine insbesondere hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens dar. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn sich das Einbringen bzw. ein Zuführen der Zusatzluft, was beispielsweise getaktet erfolgt, an Öffnungszeiten von Gaswechselventilen, insbesondere von Auslassventilen, der Verbrennungskraftmaschine orientiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einleitstelle zumindest bereichsweise stromauf dem Turbinenrads angeordnet. So kann dem Turbinenrad besonders gut die Zusatzluft zugeführt und das Turbinenrad besonders effizient von der Zusatzluft angetrieben werden. So ist es möglich, die Zusatzluft dem Turbinenrad außenumfangsseitig und in radialer Richtung zumindest im Wesentlichen über dem Umfang des Turbinenrads zuzuführen, um das Turbinenrad besonders strömungsgünstig antreiben zu können.
Ebenso möglich ist es, dass die Einleitstelle zumindest bereichsweise in axialer Richtung des Turbinenrads in zumindest bereichsweise Überlappung mit einem Radrücken des Turbinenrads angeordnet ist, wobei der Radrücken vorteilhafterweise offen ausgebildet ist. So kann die Zusatzluft dem Turbinenrad zumindest im Wesentlichen axial zugeführt werden und die Zusatzluft kann von dem insbesondere offen ausgebildeten Radrücken her Leitschaufeln des Turbinenrads zunächst zumindest im Wesentlichen axial anströmen und dadurch das Turbinenrad antreiben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Turbinenrad mittels der Speisungseinrichtung mit Druckluft als die Zusatzluft beaufschlagbar. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Zusatzluft um unter Druck gesetzte Luft (Druckluft), wobei der Druck höher ist als der Umgebungsdruck. Die als Druckluft vorliegende Zusatzluft wird beispielsweise mittels eines Luftpressers auf einen Druck von einschließlich 10 bis einschließlich 12 bar verdichtet und gegebenenfalls in einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem Druckkessel, gespeichert, insbesondere zwischengespeichert. Die Speichereinrichtung kommuniziert mit der Einleitstelle fluidisch, so dass die unter Druck stehende und als Druckluft vorliegende Zusatzluft von der Speichereinrichtung zu der Einleitstelle strömen und das Turbinenrad anströmen kann. Der hohe Druck der Zusatzluft birgt dabei den Vorteil, dass dadurch das Turbinerad und damit das Verdichterrad insbesondere in niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine besonders gut angetrieben werden können, was mit einer besonders vorteilhaften Verdichtung der Luft und damit mit einem besonders vorteilhaften Drehmomentaufbau der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Vorteilhafterweise umfasst die Speisungseinrichtung eine Ventileinrichtung, mittels welcher die Zusatzluft bedarfsgerecht in den Abgastrakt einbringbar und dem Turbinenrad zuführbar ist. Bei dieser Ventileinrichtung handelt es sich beispielsweise um ein getaktetes Ventil. Mittels eines solchen getakteten Ventils ist beispielsweise eine Verbindungsleitung der Speichereinrichtung und der Einleitstelle zumindest im Wesentlichen vollständig fluidisch versperrbar sowie zumindest im Wesentlichen komplett fluidisch freigebbar, so dass ein maximaler Strömungsquerschnitt freigegeben ist.
Ebenso möglich ist es, ein solches getaktetes Ventil mit wenigstens einer Zwischenstellung einzusetzen, in welcher die Verbindungsleitung lediglich bereichsweise fluidisch freigegeben ist und ein Strömungsquerschnitt eingestellt ist, welcher kleiner als der maximale Strömungsquerschnitt ist. Vorteilhafterweise sind eine Mehrzahl von derartigen Zwischenstellungen einstellbar. Ebenso möglich ist es, als die Ventileinrichtung ein sogenanntes Schwarz-Weiß-Ventil einzusetzen, welches die Verbindungsleitung vollständig fluidisch versperrt oder vollständig fluidisch freigeben kann. Zwischenstellungen sind nicht vorgesehen. Das getaktete Ventil ermöglicht eine sehr präzise Zuführung der Luft in den Abgastrakt, während das Schwarz-Weiß-Ventil besonders geringe Kosten aufweist.
Um die Zusatzluft als Druckluft bereitstellen zu können, ist beispielsweise der Luftpresser oder ein anderweitiger Verdichter zum Darstellen der Druckluft von der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Ebenso möglich ist es, dass der Verdichter mittels eines von der Verbrennungskraftmaschine unterschiedlichen Motors, beispielsweise einem Elektromotor als Hilfsantriebseinheit (Auxiliary Power Unit) antreibbar ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Speisungseinrichtung eine Dralleinrichtung, mittels welcher die das Turbinenrad beaufschlagende Zusatzluft mit einem Drall zu versehen ist. Mit anderen Worten weist die das Turbinenrad anströmende Zusatzluft einen Drall und damit eine hohe Strömungsenergie auf, so dass das Turbinenrad und damit das Verdichterrad besonders effizient anzutreiben sind. Dies führt zu einem besonders guten und schnellen Drehmomentenaufbau und damit zu einem sehr guten Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine.
Setzt man ein Druckverhältnis zwischen der Speichereinrichtung und der Einleitstelle in dem Abgastrakt für eine Generierung hoher Strömungsgeschwindigkeiten der Zusatzluft um, welche unter hohem Drall zumindest im Wesentlichen direkt dem Turbinenrad zugeführt wird, wird neben der Erhöhung des mittleren Turbinengesamtdruckverhältnisses und der mittleren Durchströmmasse lokal, beispielsweise in einem Radantrittsdüsenbereich, bei relativ niedrigem statischem Druck eine effektive Umsetzung eines Energieinhalts der Speichereinrichtung bzw. des Massenstroms der Zusatzluft direkt über die Euler'sche Turbinengleichung vorteilhaft ermöglicht.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Einleitstelle zumindest bereichsweise auf Höhe eines größten Durchmessers des Turbinenrads angeordnet ist. Die führt zu einer besonders effizienten Umsetzung der in der Strömung der Zusatzluft enthaltenen Energie zum Antreiben des Turbinenrads, wodurch ein besonders gutes instationäres Verhalten der Verbrennungskraftmaschine dargestellt ist.
Die Turbinenleistung steht proportional zur Eintrittstemperatur eines des Turbinenrads anströmenden und beaufschlagenden Gases zum Antreiben des Turbinenrads, was bei der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung das Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder die Zusatzluft ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist daher wenigstens eine Erwärmungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads erwärmbar ist. Dadurch wird ein Energiebeitrag der Zusatzluft zum Antreiben des Turbinenrads erhöht, so dass das Turbinenrad und damit das Verdichterrad besonders gut angetrieben werden können. Damit steht ein gewünschter durch den Verdichter bereitgestellter Ladedruck in besonders kurzer Zeit zur Vermeidung des sogenannten Turbolochs zur Verfügung. Darüber hinaus wird dadurch verhindert, dass es an der Einleitstelle zu einer Vereisung insbesondere bei geringen Temperaturen kommt, welche sich bei einem Inhalt der Speichereinrichtung mit Umgebungstemperatur und bei kalter Verbrennungskraftmaschine einstellen könnte.
Bevorzugt umfasst die Umwärmungseinrichtung einen Wärmetauscher, mittels welchem die Zusatzluft infolge eines Wärmeübergangs von Abgas der Verbrennungskraftmaschine an die Zusatzluft erwärmbar ist. Dadurch ist eine Energierekuperation des der in dem Abgas enthaltenen und ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgegebenen Wärmeenergie dargestellt, was dem Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung und der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt. Zum Erwärmen der Zusatzluft sind somit keine zusätzlichen Energie verbrauchenden und kostenintensiven und Heizelemente vorgesehen, was den Energieverbrauch der Aufladeeinrichtung gering hält. Damit einher geht ein geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine.
Ist an der Einleitstelle eine Laval-Düse vorgesehen, über welche das Turbinenrad mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist, so ist das Turbinenrad dadurch besonders effizient und strömungsgünstig mit der Zusatzluft beaufschlagbar und dadurch antreibbar.
Das Turbinengehäuse weist bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zumindest zwei mittels einer Trennwandung des Turbinengehäuses wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten auf. Mit anderen Worten ist das Turbinengehäuse zumindest zweiflutig ausgebildet. Zum zumindest bereichsweisen fluidischen Trennen der Fluten ist die Trennwandung des Turbinengehäuses vorgesehen, wobei in dieser Trennwandung ein mit der Einleitstelle fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal ausgebildet ist, über welchen das Turbinenrad mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist. Diese Zuführung der Zusatzluft über den Einleitkanal bedeutet nicht nur eine besonders strömungsgünstige Zuführung der Zusatzluft zu dem Turbinenrad. Darüber hinaus weist dadurch das Turbinengehäuse und damit die gesamte Aufladeeinrichtung einen nur sehr geringen Bauraumbedarf auf, was zur Vermeidung und Lösung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens beiträgt.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Zusatzluft in eine der Fluten des Turbinengehäuses zugeführt, insbesondere eingeblasen, wird. Dadurch können die Fertigungskosten für das Turbinengehäuse gering gehalten werden. Bei der Flut, in welche die Zusatzluft gegebenenfalls eingeblasen wird, handelt es sich um eine sogenannte Lambda-Flut, welche insbesondere während des Betriebs der Aufladeeinrichtung die Aufgabe erfüllt, ein gewünschtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Bei der anderen der Fluten handelt es sich beispielsweise um eine sogenannte AGR-Flut (AGR – Abgasrückführung), welche zumindest im Wesentlichen die Aufgabe erfüllt, ein vorteilhaftes Aufstauverhalten der Turbine bereitzustellen, so dass eine vorteilhafte und gewünscht große Menge an Abgas von dem Abgastrakt zu dem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt und in diesen eingebracht werden kann. Dadurch wird von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte und dieser zuzuführenden Luft mit Abgas beaufschlagt, um Partikel-Stickoxidemissionen gering zu halten.
Die Fluten des Turbinengehäuses können zueinander symmetrisch ausgebildet sein und zumindest im Wesentlichen gleiche Strömungsquerschnitte aufweisen. Insbesondere im Fall der Unterteilung der Fluten in die Lambda-Flut und in die AGR-Flut ist es jedoch von Vorteil, wenn die Fluten zueinander asymmetrisch ausgebildet sind, wobei die Lambda-Flut beispielsweise einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher größer ist, als ein Strömungsquerschnitt der AGR-Flut. Durch die in ihrem Strömungsquerschnitt kleinere AGR-Flut ist somit ein hohes Aufstauverhalten der Turbine dargestellt, so dass eine besonders große Menge an Abgas von dem Abgastrakt zu dem Ansaugtrakt rückgeführt und in diesen eingebracht werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein mit der Einleitstelle fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchström barer Einleitkanal vorgesehen, welcher einen in Umfangsrichtung des Turbinenrads gekrümmten, geknickten, gebogenen und/oder anderweitig gekrümmt oder schräg verlaufenden und sich an die Einleitstelle, insbesondere direkt, anschließenden Mündungsbereich aufweist, über welchen der Einleitkanal in einen Aufnahmeraum des Turbinengehäuses, in welchem das Turbinenrad aufgenommen ist, mündet. Dieser Mündungsbereich ermöglicht es, die Zusatzluft dem Turbinenrad in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang schräg zuzuführen, so dass die Strömung der Zusatzluft in Umfangsrichtung des Turbinenrads bereits vorausgerichtet ist und das Turbinenrad nicht senkrecht zu dessen Drehachse anströmt. Insbesondere ist die Zusatzluft zum Einströmen in den Aufnahmeraum in Umfangsrichtung des Turbinenrads in dessen Drehrichtung abgelenkt, so dass die Zusatzluft das Turbinenrad besonders strömungsgünstig anströmen kann. Dies führt zu einem besonders Drehzahl- und damit Ladedruckaufbau des Abgasturboladers.
Mittels der Aufladeeinrichtung ist es insbesondere möglich, Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich des Downsizing-Prinzips auszugestalten. Dies bedeutet, dass mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung auch bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem relativ geringen Hubraum hohe Drehmomente und hohe Leistungen realisierbar sind bei gleichzeitiger Realisierung des vorteilhaften Instationärverhaltens.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung kann auch wenigstens zwei Abgasturbolader mit einer jeweiligen im Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Turbine umfassen, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar und seriell zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass das Abgas zunächst eine erste der Turbinen und anschließend die zweite der Turbinen durchströmt. Vor dem Durchströmen der ersten Turbine weist das Abgas ein bestimmtes Druckniveau auf. Das Abgas wird durch die erste Turbine und insbesondere durch das Turbinenrad der ersten Turbine entspannt und somit auf ein demgegenüber niedrigeres Druckniveau abgesenkt.
Anschließend durchströmt das Abgas die zweite Turbine, durch welche, insbesondere durch das Turbinenrad der zweiten Turbine, das Abgas wiederum expandiert und auf ein demgegenüber niedrigeres Druckniveau abgesenkt wird. Da sich das Abgas vor dem Durchströmen der ersten Turbine auf einem höheren Druckniveau befindet als vor dem Durchströmen der zweiten Turbine, wird die erste Turbine als Hochdruck-Turbine und damit der diese Hochdruckturbine umfassende Abgasturbolader als Hochdruck-Abgas-Turbolader bezeichnet, während die zweite Turbine als Niederdruck-Turbine und dementsprechend der diese Niederdruck-Turbine umfassende Abgasturbolader als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet werden.
Dadurch ist eine zweistufige Aufladung der Verbrennungskraftmaschine dargestellt, mittels welcher die Verbrennungskraftmaschine besonders effizient und wirkungsgradgünstig aufgeladen werden kann. Bei dieser Aufladeeinrichtung ist es von Vorteil, die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads der Niederdruck-Turbine in den Abgastrakt einzubringen und insbesondere stromauf dem Turbinenrads der Niederdruck-Turbine in ein Turbinengehäuse dieser Niederdruck-Turbine einzubringen, insbesondere einzublasen. Dies ist von Vorteil, da die Niederdruck-Turbine im Instationärbetrieb aufgrund ihrer Dimensionen gegenüber der Hochdruck-Turbine benachteiligt ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Aufladeeinrichtung, welche einen Abgasturbolader umfasst, dem mittels einer Speisungseinrichtung der Aufladeeinrichtung Zusatzluft zum Antreiben des Abgasturboladers zuführbar ist;
2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine mit der Aufladeeinrichtung gemäß 1;
3 eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers für eine Aufladeeinrichtung gemäß den 1 und 2;
4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers gemäß 3;
5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Turbine eines Abgasturboladers gemäß den 3 und 4; und
6 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Turbine gemäß 5.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen mit sechs Zylindern 12 und 12'. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 saugt diese Luft gemäß einem Richtungspfeil 14 aus der Umgebung an, wobei die Luft unter Umgebungsdruck p1 steht. Die Luft strömt über einen entsprechende Ansaugverrohrung eines Ansaugtrakts 15 der Verbrennungskraftmaschine 10 zu einem in dem Ansaugtrakt 15 angeordneten Verdichter 16 eines Abgasturboladers 18 einer Aufladeeinrichtung 19 der Verbrennungskraftmaschine 10, wobei die Luft mittels des Verdichters 16 auf einen gegenüber dem Umgebungsdruck p1 höheren Ladedruck verdichtet wird. Die durch das Verdichten erwärmte Luft strömt über eine entsprechende Ansaugverrohrung des Ansaugtrakts 15 zu einem Ladeluftkühler 20, welchen sie durchströmt und mittels welchem die Luft zur Steigerung des Aufladegrads wieder abgekühlt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 20 strömt die Luft über eine entsprechende Ansaugverrohrung des Ansaugtrakts 15 weiter zu einem in dem Ansaugtrakt 15 angeordneten Luftverteilers 22, mittels welchem die unter einem Druck p2s stehende Luft den Zylindern 12 und 12' zugeführt wird.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich beispielsweise um einen direkt einspritzenden Ottomotor oder um einen direkt einspritzenden Dieselmotor, wobei Kraftstoff mittels eines jeweiligen Einspritzventils direkt in die Zylinder 12 und 12' eingespritzt und somit der sich in den Zylindern 12 und 12' befindenden Luft zugeführt wird. Bei der Verbrennungskraftmaschine 10 kann es sich jedoch auch um eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit Saugrohreinspritzung handeln, wobei die Luft stromauf der Zylinder 12 und 12', beispielsweise in dem Luftverteiler 22, mit Kraftstoff beaufschlagt wird. Somit strömt ein vorgemischtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Zylinder 12 und 12' ein.
In jeglicher Ausführungsform befindet sich in den Zylindern 12 und 12' ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, welches durch Fremdzündung oder durch Selbstentzündung gezündet wird und verbrennt. Infolge dieser Verbrennung entsteht ein Abgas in den Zylindern 12 und 12', welches aus den Zylindern 12 und 12' aus- und über einen in einem Abgastrakt 31 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordneten Abgaskrümmer 32 in eine entsprechende Abgasverrohrung einströmt. In dem Abgastrakt 31 ist eine Turbine 34 des Abgasturboladers 18 angeordnet, welche beispielsweise zwei asymmetrisch zueinander ausgebildete Fluten 36 und 36' umfasst. In die Fluten 36 und 36' wird, mittels der Abgasverrohrung das Abgas eingeleitet. Über diese Fluten 36 und 36' wird einem in einem Aufnahmeraum eines Turbinengehäuses der Turbine 34 angeordneten Turbinenrad das Abgas zugeführt, wobei das Turbinenrad durch diese Abgasbeaufschlagung angetrieben wird.
Das Turbinenrad ist drehfest mit einer Welle 38 des Abgasturboladers 18 verbunden, mit welchem auch ein Verdichterrad des Verdichters 16 drehfest verbunden ist. So kann das Verdichterrad über das Turbinenrad angetrieben werden und die Luft verdichten.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist das Abgas der Zylinder 12' mittels des Abgaskrümmers 32 zusammengefasst und wird der Flut 36' mittels der entsprechenden Abgasverrohrung zugeführt. Das Abgas weist dabei den Druck p31 auf. Die Flut 36' fungiert als sogenannten AGR-Flut, welche einen geringeren Strömungsquerschnitt aufweist als die als sogenannten Lambda-Flut fungierende Flut 36. Die Flut 36' stellt somit ein gewünscht hohes Aufstauverhalten bereit, so dass eine gewünschte hohe Menge an Abgas mittels einer Abgasrückführeinrichtung 24 der Verbrennungskraftmaschine 10 von dem Abgastrakt 31 abgezweigt und zu dem Ansaugtrakt 15 rückgeführt und in den Ansaugtrakt 15 eingebracht werden kann. Die Lambda-Flut erfüllt zumindest im Wesentlichen die Aufgabe, ein gewünschtes Verhältnis des Kraftstoffes zur Luft im Luft-Kraftstoff-Gemisch einzustellen. Das Abgas der Flut 36 weist den Druck p32 auf
Das Abgas wird über die Fluten 36 und 36' dem Turbinenrad zugeführt und durch die Turbine 34 entspannt, so dass das Abgas stromab des Turbinerads einen gegenüber den Drücken p31 und p32 einen geringeren Druck p4 aufweist. Über eine entsprechende Abgasverrohrung wird dann das Abgas an die Umgebung entlassen.
Zur Rückführung des Abgases umfasst die Abgasrückführeinrichtung 24 eine Abzweigstelle 28, an welcher eine Abgasrückführleitung 26 fluidisch mit der Abgasverrohrung verbunden ist. So kann Abgas von der Abgasverrohrung in die Abgasrückführleitung 26 an der Abzweigstelle 26 einströmen und über die Abgasrückführleitung 26 zu dem Ansaugtrakt 15 rückgeführt werden. Dazu ist die Abgasrückführleitung 26 an einer Einleitstelle 30 fluidisch mit der Ansaugverrohrung verbunden, so dass das Abgas von der Abgasrückführleitung 26 in die Abgasverrohrung einströmen kann. Dadurch wird die verdichtete Luft mit Abgas beaufschlagt, so dass Partikel- und Stickoxid-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden können.
Die Abgasrückführeinrichtung 24 umfasst einen Abgasrückführkühler 40, mittels welchem das die Abgasrückführleitung 26 durchströmende Abgas zu kühlen ist. Ferner umfasst die Abgasrückführeinrichtung 24 ein Abgasrückführventil 42, mittels welchem eine gewünschte rückzuführende Menge an Abgas einstellbar ist.
Die Aufladeeinrichtung 19 umfasst einen Luftpresser 44 einer Speisungseinrichtung 45 der Aufladeeinrichtung 19, welcher von der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar ist. Dazu ist der Luftpresser 44 beispielsweise über zumindest einen Riemen, über zumindest eine Kette, über zumindest ein Zahnradpaar oder dergleichen Verbindungselement mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 verbunden. Der Luftpresser 44 saugt während seines Betriebs Luft aus der Umgebung gemäß einem Richtungspfeil 46 an und verdichtet diese Luft. Die verdichtete Luft strömt zu einem stromab des Luftpressers angeordneten Tank 48 der Speisungseinrichtung 45, in welchem die verdichtete und somit als Druckluft vorliegende Luft gespeichert wird. Die Luft in dem Tank 48 weist beispielsweise einen Druck in dem Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 12 bar auf.
Die in dem Tank 48 aufgenommene und als Druckluft vorliegende Luft wird als Zusatzluft genutzt, um das Turbinenrad der Turbine 34 des Abgasturboladers 18 und damit das Verdichterrad des Verdichters 16 des Abgasturboladers 18 anzutreiben. Dazu ist eine Verbindungsleitung 50 der Speisungseinrichtung 45 vorgesehen, welche einerseits mit dem Tank 48 fluidisch verbunden ist. Andererseits mündet sie zumindest mittelbar in den Aufnahmeraum, in welchem das Turbinenrad der Turbine 34 aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass die Zusatzluft in das Turbinegehäuse einleitbar und das Turbinenrad mit dieser Zusatzluft beaufschlagbar ist, um es mittels der Zusatzluft, insbesondere zusätzlich zu dem Abgas anzutreiben.
Dies ist insbesondere in niedrigen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 10 vorteilhaft, in welchen gegebenenfalls ein nur geringer Massenstrom des Abgases vorliegt. Dieser geringe Massenstrom des Abgases vermag es gegebenenfalls nicht, dass auf höhere Lastbereiche, insbesondere den Volllastbereich, der Verbrennungskraftmaschine 10 ausgelegte und gegebenenfalls eine hohe Trägheit aufweisende Turbinenrad auf eine gewünschte Art und Weise anzutreiben, so dass es dadurch zu einem nur trägen Drehzahlaufbau des Verdichterrads bei einem Übergang von niedrigen Lastbereichen hin zu demgegenüber höheren Lastbereichen kommt. Dies kann zu einem unerwünschten Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 und zu einem unerwünschten Fahrverhalten derselbigen Führen, da mit dem unerwünschten Drehzahlaufbau auch ein unerwünschter Ladedruckaufbau einhergeht. Mit andere Worten dauert es dann eine unerwünscht lange Zeit, bis die Verbrennungskraftmaschine ein von einem Fahrer des Kraftwagens gewünschtes Drehmoment bzw. eine gewünschte Leistung bereitstellen kann.
Um dieses unbefriedigende Instationärverhalten zu vermeiden oder zumindest im Wesentlichen zu verbessern, kann nun das Turbinenrad und damit das Verdichterrad von der Zusatzluft insbesondere bei einem Übergang von niedrigen zu höheren Lastbereichen angetrieben werden. Durch diese Möglichkeit, das Turbinenrad sowohl mittels des Abgases als auch mittels der Zusatzluft anzutreiben, kann auch bei dem Übergang von niedrigen zu höheren Lastbereichen ein schneller Drehzahl- und damit ein schneller Ladedruckaufbau erfolgen, so dass das von dem Fahrer gewünschte Drehmoment bzw. die gewünschte Leistung zumindest nahezu verzögerungsfrei von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestellt werden kann.
Dies ist der Fall, da durch das zusätzliche Antreiben des Turbinenrads die Turbinenleistung erhöht und ein Hochlaufen, d. h. eine Erhöhung der Drehzahl der Turbine, gegenüber einem ausschließlichen Antreiben des Turbinenrads mittels des Abgases beschleunigt werden kann. Das sogenannte Turboloch ist zumindest im Wesentlichen vermieden. Darüber hinaus ist eine stationäre sowie eine instationäre Auslegung des Turboladers 18 und der Verbrennungskraftmaschine 10 durch die Speisungseinrichtung 45 nicht negativ beeinträchtigt.
Um die Zusatzluft bedarfsgerecht über eine Einleitstelle 52 der Speisungseinrichtung 45 in den Abgastrakt 31 einzubringen und so das Turbinenrad bedarfsgerecht mit der Zusatzluft zu beaufschlagen, umfasst die Speisungseinrichtung 45 eine Ventileinrichtung 54. Die Ventileinrichtung 54 ist beispielsweise lediglich zwischen einer die Verbindungsleitung 50 freigebenden Freigabestellung und einer die Verbindungsleitung 50 verschließenden Schließstellung verstellbar, wobei in der Freigabestellung ein maximaler Strömungsquerschnitt mittels der Ventileinrichtung 54 freigegeben ist. In der Schließstellung ist ein minimaler Strömungsquerschnitt, beispielsweise ein Strömungsquerschnitt von Null, mittel der Bedieneinrichtung 54 gebildet.
Ebenso möglich ist es, dass die Ventileinrichtung 54 zumindest eine Zwischenstellung zwischen der Freigabestellung und der Schließstellung aufweist, in welcher ein geringerer Strömungsquerschnitt als in der Freigabestellung aber ein größerer Strömungsquerschnitt als in der Schließstellung durch die Ventileinrichtung 54 gebildet ist. Besonders vorteilhaft sind mehrere derartige Zwischenstellung mittels der Ventileinrichtung 54 einstellbar, wobei sich die Zwischenstellungen hinsichtlich des freigegebenen bzw. versperrten Strömungsquerschnitts unterscheiden.
Die Turbine 34 das Abgasturboladers 18 ist beispielsweise als Festgeometrieturbine ausgebildet. D. h. sie umfasst keinerlei Verstelleinrichtung zum Beeinflussen von Strömungsbedingungen stromauf und/oder stromab des Turbinenrads, insbesondere zum variablen Einstellen eines Strömungsquerschnitts stromauf des Turbinenrads. Es ist jedoch möglich, dass Turbine 34 auch eine derartige Verstelleinrichtung umfasst, mittels welcher die Strömungsbedingungen stromauf und/oder stromab des Turbinenrads beeinflussbar sind. Eine solche Verstelleinrichtung ermöglicht beispielsweise den Strömungsquerschnitt stromauf dem Turbinenrads zu verengen oder demgegenüber freizugeben, um die Turbinen 34 auf unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine anzutreiben.
Der Vorteil der sogenannten Festgeometrieturbine besteht jedoch darin, dass sie eine geringe Komplexität und damit eine geringe Teileanzahl sowie geringe Kosten aufweist. Dennoch ermöglicht sie ein besonders vorteilhaftes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10, da das Turbinenrad auch mittels der Zusatzluft angetrieben werden kann.
Die Turbine 34 umfasst eine Umgehungseinrichtung 56 mit einer Umgehungsleitung 58 über welche das Abgas das Turbinenrad umgehen kann. Dadurch wird das Turbinenrad nicht mit dem Abgas beaufschlagt und nicht von diesem angetrieben. Die Umgehungseinrichtung 58 dient dabei zur Regelung des Ladedrucks. Zur bedarfsgerechten Regelung bzw. Einstellung des Ladedrucks umfasst die Umgehungseinrichtung 56 ein Umgebungsventil 60, welches auch als Waste-Gate bezeichnet wird.
Die Aufladeeinrichtung 19 mit der Speisungseinrichtung 45 weist ferner den Vorteil auf, dass neben den thermodynamischen Vorteilen durch das Antreiben des Turbinerads mittels der Zusatzluft die Notwendigkeit von Klappen, Ventileinrichtungen und/oder Umblaseöffnungen in dem oder auf Seiten des Ansaugtrakts 15 nicht besteht. Vielmehr stellt die Aufladeeinrichtung 19 mit der Speisungseinrichtung 45 eine unkomplexe Möglichkeit dar, ein sehr gutes Instationärverhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 durch das Antreiben des Turbinenrads mittels der Zusatzluft darzustellen.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, welche die Zylinder 12 und 12' umfasst. Wie der 2 zu entnehmen ist, sind die Zylinder 12' zusammengefasst und werden über die als AGR-Flut fungierende Flut 36' der Turbine 34 zugeführt.
Das Abgas der Zylinder 12 wird ebenso mittels des Abgaskrümmers 32 zusammengefasst. Das zusammengefasste Abgas der Zylinder 12 wird der als sogenannte Lambda-Flut fungierenden Flut 36 zugeführt. Die Flut 36 dient im Wesentlichen dazu, ein gewünschtes Luft-Kraft-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 darzustellen und weist gegenüber der als AGR fungierenden Flut 36' einen größeren Strömungsquerschnitt auf.
Auch die Turbine 34 des Abgasturboladers 18 gemäß 2 kann als zweiflutige asymmetrische Festgeometrie-Turbine mit oder ohne Umgehungseinrichtung 56 (Waste-Gate) ausgebildet sein. Ebenso kann die Turbine 34 gemäß 2 als asymmetrische Varioturbine ausgebildet sein und beispielsweise eine Versteileinrichtung 62 umfassen, mittels welcher Strömungsbedingungen stromauf des Turbinenrads beaufschlagbar sind. Die Versteileinrichtung 62 ist beispielsweise als Zungenschieber ausgebildet und umfasst in Umfangsrichtung des Turbinenrads über dessen Umfang angeordnete und in Umfangsrichtung verschiebbare Zungen, mittels welcher ein Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads verstellbar ist. Um die Turbine 34 dadurch an unterschiedliche Betriebspunkte im Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassen zu können, ist eine Regelungseinrichtung 64 vorgesehen, welche die Versteileinrichtung 62 sowie das Abgasrückführventil 42 regelt.
Um das Abgas zu Reinigen bevor es an die Umgebung strömt, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 66. Die Speichereinrichtung 66 umfasst beispielsweise einen Partikelfilter und/oder einen Oxidationskatalysator und/oder eine Stickoxid-Speicherkatalysator und/oder einen SCR-Katalysator (SCR – selektive katalytische Reduktion).
Die Abgasrückführeinrichtung 24 umfasst eine stromab des Abgasrückführkühlers 40 angeordnete Dämpfungseinrichtung 68 mit einem Dämpfungsvolumen 70. Mittels der Dämpfungseinrichtung 68 sind Druckpulsationen des rückgeführten Abgases vermieden oder zumindest im Wesentlichen reduziert.
In dem Ansaugtrakt 15 ist ein Luftfilter 72 angeordnet, mittels welchem die von der Verbrennungskraftmaschine 10 angesaugte Luft zu filtern ist. Ebenso ist in der 2 eine Kurbelwelle 74 dargestellt, mittels welcher ein translatorische Bewegung von in den Zylindern 12 und 12' aufgenommenen Kolben in eine rotatorische Bewegung gemäß einem Richtungspfeil 76 umzusetzen ist.
Die Speisungseinrichtung 45 der Aufladeeinrichtung 19 umfasst zwei Wärmetauscher 78 und 78'. Die Wärmetauscher 78 und 78' sind in Strömungsrichtung der Zusatzluft von dem Tank 48 zur Einleitstelle 52 in dem Abgastrakt 31 angeordnet und ermöglichen ein Erwärmen der Zusatzluft, bevor diese in den Abgastrakt 31 einströmt und das Turbinenrad anströmt.
Dazu befindet sich der Wärmetauscher 78 in Wirkverbindung mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 und ist von der Zusatzluft gemäß einem Richtungspfeil 80 durchströmbar. Dadurch ist ein Wärmeübergang von der während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 heißen Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 an die den Wärmetauscher 78 durchströmende Zusatzluft möglich, infolge derer sich durch die Zusatzluft erwärmt.
Der Wärmetauscher 78' arbeitet nach dem Gegenstromprinzip und ist in eine Strömungsrichtung von dem Abgas und in eine weitere dieser Strömungsrichtung entgegengesetzten Strömungsrichtung von der Zusatzluft durchströmbar. Der Wärmetauscher 78' ermöglicht einen Wärmeübergang von dem heißen Abgas auf die Zusatzluft, sodass sich die Zusatzluft erwärmt. Dadurch ist eine Rekuperation von in dem Abgas enthaltener Wärmeenergie sowie von Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung 66 dargestellt, welche ansonsten ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden würden. Dies trägt zu einem hohen Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 10 mit der Aufladeeinrichtung 19 bei. Ferner führt dies zu einer weiteren Steigerung der Turbinenleistung der Turbine 34, da die Turbinenleistung proportional zur Eintrittstemperatur eines einströmenden und das Turbinenrad antreibenden Gases und damit auch der Zusatzluft steht. Darüber hinaus ist dadurch ein Vereisen der Einleitstelle 52 vermieden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der Übersicht wegen in der 2 auf die Darstellung des Luftpressers 44 sowie der Ventileinrichtung 54 sowie etwaiger weiterer Komponenten der Speisungseinrichtung 45 verzichtet ist.
Die 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Abgasturboladers 18 der Aufladeeinrichtung 19 gemäß den 1 und 2. Der Abgasturbolader 18 umfasst den Verdichter 16, welcher ein Verdichtergehäuse 82 aufweist, in welchem ein Verdichterrad 84 um eine Drehachse 86 drehbar aufgenommen ist. Der Abgasturbolade 18 umfasst ferner ein Lagergehäuse 88, in welchem die Welle 38 drehbar gelagert ist.
Die Turbine 34 des Abgasturboladers 18 umfasst ein Turbinengehäuse 90 mit den zwei Fluten 36 und 36'. Wie der 3 zu entnehmen ist, sind die Fluten 36 und 36' zueinander zumindest im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und weisen zumindest im Wesentlichen gleiche Strömungsquerschnitte auf.
Durch das Turbinengehäuse 90 ist ein Aufnahmeraum 92 gebildet, in welchem ein Turbinenrad 94 der Turbine 34 um die Drehachse 86 drehbar aufgenommen ist. Wie das Verdichterrad 84 ist auch das Turbinenrad 94 drehfest mit der Welle 38 verbunden.
Wie der 3 ferner zu entnehmen ist, ist die Einleitstelle 52 in das Turbinengehäuse 90 der Turbine 34 integriert, wobei die Einleitstelle 52 in Umfangs- und Drehrichtung des Turbinenrads 94 in die Bildebene der 3 gedreht ist. An die Einleitstelle 52 schließt sich eine Laval-Düse 96 an, über welche die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads 94 in das Turbinengehäuse 90 einströmen und das Turbinenrad 94 strömungsgünstig zum Antreiben anströmen kann. Dazu mündet die Laval-Düse 96 über die Einleitstelle 52 in eine durch Wandungen des Turbinengehäuses 90 gebildete Ringdüse 98, welche stromauf des Turbinenrads 94 angeordnet ist. Über die Ringdüse 98 strömen das Abgas und gegebenenfalls die Zusatzluft das Turbinenrad 94 zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung an. Bei den Turbinen 34 der Aufladeeinrichtungen 19 gemäß den 1 und 2 sowie bei anderweitigen Ausführungsformen der Aufladeeinrichtung 19 kann sich damit um Radialturbinen handeln.
In Abhängigkeit von einem vorteilhaften Massenstrom der in den Abgastrakt 31 einzubringenden, insbesondere einzublasenden, Zusatzluft werden in Verbindung mit dem engsten Strömungsquerschnitt, insbesondere Düsenquerschnitt, stromauf des Turbinenrads 94 eine entsprechende Anzahl an Einleitstellen wie der Einleitstelle 52 sowie eine entsprechende Anzahl an Düsen wie der Laval-Düse 96 festgelegt. Mit anderen Worten können auch mehr als eine Einleitstelle 52 und/oder Laval-Düse 96 vorgesehen sein, um die Zusatzluft in den Abgastrakt 31 zum insbesondere zusätzlichen Antreiben des Turbinenrads 94 einzubringen.
Die Laval-Düse 96 stellt einee Dralldüse dar, mittels welcher der in den Abgastrakt 31 bzw. in das Turbinengehäuse 90 einströmende Zusatzluft ein Drall aufgeprägt werden kann. Anderweitige Drallerzeugungseinrichtungen sind ebenso möglich. Bei einem solchen Drall handelt es sich um eine insbesondere spiralförmige Drehbewegung um eine Achse parallel zur Strömungsrichtung. Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der als zweiflutige symmetrische Turbine ausgebildeten Turbine 34 gemäß 3. Wie der 4 zu entnehmen ist, sind Einleitstellen 52 in Überlappung mit einem offenen ausgebildeten Radrücken 100 des Turbinenrads 94 angeordnet und in einem Hitzeschild 102 als Durchtrittsöffnungen ausgebildet. Das Hitzeschild 102 dient dazu, dass Lagergehäuse 88 vor einem unerwünscht hohen Hitzeeintrag durch das heiße das Turbinengehäuse 90 durchströmende Abgas zu schützen. Die Durchtrittsöffnungen sind als Drallöffnungen ausgebildet, so dass die Zusatzluft das Turbinenrad 94 mit einer hohen Strömungsenergie vom Radrücken 100 zumindest im Wesentlichen zunächst in axialer Richtung anströmen und so besonders effizient antreiben kann.
Ein durch das Lagergehäuse 88, das Turbinengehäuse 90 und das Hitzeschild 102 zumindest bereichsweise begrenzter Zwischenraum 104 fungiert als Sammelraum, wobei hohe Gaskräfte bei einer Dimensionierung und Befestigung des Hitzeschilds 102 berücksichtigt werden müssen. Die Einleitstellen 52 in Form der Drallöffnungen befinden sich in sehr enger Nähe des Turbinenrads 94 bzw. dessen Radrücken 100, so dass eine zumindest im Wesentlichen direkte Beaufschlagung des Turbinenrads 94 durch die Zusatzluft ermöglicht ist. Dies begünstigt ein besonders effizientes Antreiben des Turbinenrads 94 und damit des Verdichterrads 84 zur Darstellung eines schnellen Drehmomenten- und damit Ladedruck-Aufbaus.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der zweiflutigen symmetrischen Turbine 34 gemäß den 3 und 4. In Zusammenschau mit den 3 und 4 ist zu erkennen, dass das Turbinengehäuse 90 ein Trennwandung 106 aufweist, durch welche die Fluten 36 und 36' zumindest bereichsweise fluidisch voneinander getrennt sind.
In der Trennwandung 106 der Turbine 34 gemäß der 5 ist nun ein Einleitkanal 108 ausgebildet, welcher sich an die Einleitstelle 52 anschließt und fluidisch mit dieser verbunden ist. Dadurch ist es auf sehr platzsparende Art und Weise ermöglicht, die Zusatzluft zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Turbinenrads 90 über die Einleitstelle 52 in die Ringdüse 98 einzubringen, insbesondere einzublasen. Mit anderen Worten erfolgt ein Austreten der Zusatzluft aus dem Einleitkanal 108 vorteilhaft zumindest nahezu zentral in die Ringdüse 98 stromauf des Turbinenrads 94. Dadurch ist ein strömungsgünstiges Beaufschlagen und damit ein effizientes Antreiben des Turbinenrads 94 geschaffen.
Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Einleitkanals 108. Der Einleitkanal 108 weist einen Mündungsbereich 112 auf, über welchen der Einleitkanal 108 in die Ringdüse 98 bzw. in den Aufnahmeraum 92 mündet. Der Mündungsbereich 102 schließt sich dabei direkt an der Einleitstelle 52 an und ist mit dieser fluidisch verbunden. Wie der 6 zu entnehmen ist, ist der Mündungsbereich 112 in Umfangsrichtung des Turbinenrads 94 des Aufnahmeraums 92 und damit der Ringdüse 98 gemäß einem Richtungspfeil 114 in Richtung der Drehrichtung gemäß einem Richtungspfeil 116, in welche sich das Turbinenrad 94 beim Betrieb des Abgasturboladers 18 dreht, gekrümmt. Dadurch wird die Zusatzluft bereits vor Eintreten in die Ringdüse 98 in Umfangsrichtung gemäß dem Richtungspfeil 116 abgelenkt, was durch einen Richtungspfeil 110 in der 6 dargestellt ist. Dadurch strömt die Zusatzluft das Turbinenrad 94 schräg zu dessen realer Richtung an, wodurch das Turbinenrad besonders strömungsgünstig und effizient antreibbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19833134 C1 [0002]
DE 10158874 A1 [0003]

Claims

Aufladeeinrichtung (19) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit wenigstens einem Abgasturbolader (18), welcher ein in einem Abgastrakt (31) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnetes und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbares Turbinengehäuse (90) umfasst, in welchem ein von dem Abgas beaufschlagbares Turbinenrad (94) drehbar aufgenommen ist, und mit wenigstens einer Speisungseinrichtung (45), mittels welcher dem Abgasturbolader (18) Zusatzluft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungseinrichtung (45) wenigstens eine in dem Abgastrakt (31) angeordnete Einleitstelle (52) aufweist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitstelle (52) zumindest bereichsweise stromauf des Turbinenrads (52) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (94) mittels der Speisungseinrichtung (45) mit Druckluft als die Zusatzluft beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungseinrichtung (45) eine Dralleinrichtung (96) umfasst, mittels welcher die das Turbinenrad (94) beaufschlagende Zusatzluft mit einem Drall zu versehen ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitstelle (52) zumindest bereichsweise auf Höhe eines größten Durchmessers des Turbinenrads (94) angeordnet ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erwärmungseinrichtung (78, 78') vorgesehen ist, mittels welcher die Zusatzluft stromauf des Turbinenrads (94) erwärmbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungseinrichtung (78, 78') wenigstens einen Wärmetauscher (78, 78') umfasst, mittels welchem die Zusatzluft infolge eines Wärmeübergangs von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) an die Zusatzluft erwärmbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Einleitstelle (52) eine Lavaldüse (96) vorgesehen ist, über welche das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (90) zumindest zwei mittels einer Trennwandung (106) des Turbinengehäuses (90) wenigstens bereichsweise fluidisch voneinander getrennte Fluten (36, 36') aufweist, wobei in der Trennwandung (106) ein mit der Einleitstelle (52) fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal (108) ausgebildet ist, über welchen das Turbinenrad (94) mit der Zusatzluft beaufschlagbar ist.
Aufladeeinrichtung (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Einleitstelle (52) fluidisch verbundener und von der Zusatzluft durchströmbarer Einleitkanal (108) vorgesehen ist, welcher einen in Umfangsrichtung (1164) des Turbinenrads (94) gekrümmt und/oder geknickten und/oder gebogenen und sich an die Einleitstelle (52), insbesondere direkt, anschließenden Mündungsbereich (112) aufweist, über welchen der Einleitkanal (108) zumindest mittelbar in einen Aufnahmeraum (92) des Turbinengehäuses (90) zum Aufnehmen des Turbinenrads (94) mündet.