DE102011008566A1

DE102011008566A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102011008566A1
Application number: DE102011008566A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wagenplast Michael
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2012-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei Abgasturboladern (12, 24), welche jeweils eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbine (16, 26) und einen von der jeweiligen Turbine (16, 26) antreibbaren und von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft durchströmbaren Verdichter (20, 30) aufweisen wobei die Aufladeeinrichtung (10) zwischen zumindest vier Betriebszuständen schaltbar ist, wobei in einem ersten der Betriebzustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels eines der Verdichter (20, 30) verdichtbar ist, in einem zweiten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand seriell zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtbar ist, in einem dritten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand parallel zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtbar ist und in einem vierten der Betriebszustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des bezüglich des ersten Betriebszustands anderen der Verdichter (20, 30) verdichtbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 9 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Die DE 10 2009 006 359 A1 offenbart eine Vorrichtung zur variablen Abgasturboaufladung und Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors mit einem eine Turbine und einen Verdichter umfassenden Hochdruck-Abgasturbolader und mit einem eine Turbine und einen Verdichter umfassenden Niederdruck-Abgasturbolader. Die Verdichter sind in einer Frischluftleitung des Verbrennungsmotors angeordnet, während die entsprechenden und die jeweiligen Verdichter antreibenden Turbinen in einer Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sind. Die beiden Abgasturbolader sind seriell zueinander geschaltet, was bedeutet, dass das Abgas der Verbrennungskraftmaschine zunächst die Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers und anschließend die Turbine des Niederdruck-Abgasturboladers durchströmt und antreibt.
Dementsprechend wird dem Verbrennungsmotor zuzuführende Luft in Strömungsrichtung der Luft zunächst durch den Verdichter des Niederdruck-Abgasturboladers und anschließend nochmals durch den Verdichter des Hochdruck-Abgasturboladers verdichtet.
Diese Vorrichtung weist ein verbesserungswürdiges Ansprechverhalten auf, so dass der Verbrennungsmotor insbesondere bei einem Übergang von einem zu einem weiteren Betriebspunkt verbessert aufgeladen wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung bereitzustellen, durch welche das Ansprechverhalten der Aufladeeinrichtung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei Abgasturboladern, welche jeweils eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare und dadurch antreibbare und jeweils einen von der jeweiligen Turbine antreibbaren und von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft durchströmbaren Verdichter aufweisen. Die Verdichter dienen dazu, die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aufladeeinrichtung zwischen zumindest vier Betriebszuständen schaltbar ist. In einem ersten der Betriebszustände ist die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels eines der Verdichter verdichtbar. In einem zweiten der Betriebszustände ist die Luft von beiden in diesem Betriebszustand seriell zueinander geschalteten Verdichtern verdichtbar. Dies bedeutet, dass die einen Ansaugtrakt durchströmende und der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zunächst von einem in dem Ansaugtrakt angeordneten der Verdichter verdichtet wird. Anschließend wird die Luft nochmals durch den zweiten ebenfalls in dem Ansaugtrakt angeordneten Verdichter verdichtet, so dass dadurch eine serielle, zweistufige Verdichtung der Luft dargestellt ist.
In einem dritten der Betriebszustände ist die Luft von beiden in diesem Betriebszustand parallel zueinander geschalteten Verdichter verdichtbar. Dies bedeutet, dass die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft gleichzeitig von den Verdichtern verdichtet wird. Die Luft wird dadurch einstufig verdichtet und der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Im Gegensatz zum zweiten Betriebszustand wird die Luft nicht zunächst von einem der Verdichter und dann nochmals durch den zweiten der Verdichter sondern lediglich einmalig verdichtet.
In einem vierten der Betriebszustände ist die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des bezüglich des ersten Betriebszustands anderen der Verdichter verdichtbar. Mit anderen Worten wird die Luft im vierten Betriebszustand von dem Verdichter des Abgasturboladers verdichtet, von welchem sie im ersten Betriebszustand nicht verdichtet wird.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte und effiziente Aufladung der Verbrennungskraftmaschine, so dass diese besonders effizient mit verdichteter Luft versorgt wird. Ferner erfolgt diese Verdichtung der Luft aufgrund der zumindest vier Betriebszustände besonders effizient, da die Aufladeeinrichtung bei einem Übergang von einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine zu einem demgegenüber anderem Betriebspunkt derselbigen ein besonders gutes Ansprechverhalten aufweist. Derartige Übergänge kommen bei Verbrennungskraftmaschinen für Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, aber auch für Nutzkraftwagen besonders häufig vor, da sie insbesondere transient betrieben werden und ein instationäres Betriebsverhalten aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung kann die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu verzögerungsfrei ein gewünschtes und beispielsweise von einem Fahrer des Kraftwagens gefordertes Drehmoment und/oder eine gewünschte und geforderte Leistung bereitstellen. Das so genannte Turboloch ist dadurch zumindest im Wesentlichen vermieden.
Darüber hinaus kann die Verbrennungskraftmaschine mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung besonders kraftstoffverbrauchsarm betrieben werden, was die schädlichen Emissionen, insbesondere die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine, gering hält. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung ist, dass sie aufgrund der kompakten Anordnung der Abgasturbolader einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist, was zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens beiträgt. Des Weiteren ermöglicht es die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung, eine stromab der Turbinen angeordnete Abgasnachnachbehandlungseinrichtung, insbesondere einen Katalysator, zumindest nahezu stets auf deren günstiger Betriebstemperatur zu halten, so dass diese das Abgas besonders effizient reinigen kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die den die Luft in dem ersten Betriebszustand verdichtenden Verdichter antreibende Turbine eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie auf. Das heißt, dass die Turbine eine so genannte variable Turbinengeometrie aufweist und/oder ist diese Turbine gegenüber der anderen Turbine hinsichtlich ihrer Dimensionen und/oder ihres effektiven Strömungsquerschnitts und/oder hinsichtlich ihrer bzw. der Trägheit ihres Turbinenrads geringer dimensioniert. Das bedeutet, dass die Turbine, sofern sie keine variable Turbinengeometrie aufweist, bspw. eine Waste-Gate-Turbine oder eine Turbine, welche kleiner dimensioniert ist, sein kann. Diese Turbine kann insbesondere beim Aufweisen einer variablen Turbinengeometrie, eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden, da der effektiver Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist. Bei einer so genannten Festturbine oder einer Waste-Gate-Turbine ist der effektive Strömungsquerschnitt zwar nicht mehr in jedem Betriebspunkt anpassbar, allerdings wurde der effektive Strömungsquerschnitt dieser Turbinen auf den entsprechenden Einsatz hin angepasst. So kann diese Turbine insbesondere bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen den korrespondierenden Verdichter besonders gut antreiben, wodurch die Luft auch in derartigen Drehzahl- und/oder Lastbereichen besonders effizient verdichtet werden kann. Dies ist von Vorteil, da es insbesondere bei niedrigen und/oder mittleren Last- und/oder Drehzahlbereichen zu relativ geringen Abgasmassenströmen kommt. Diese Turbine kann jedoch aufgrund ihrer entsprechenden Ausgestaltung trotzdem effizient von dem Abgas angetrieben werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest im zweiten Betriebszustand die Turbinen der Verdichter seriell zueinander geschaltet. Dies bedeutet, dass in Strömungsrichtung des Abgases das Abgas zunächst eine der Turbinen durchströmt und antreibt, worüber der entsprechende Verdichter angetrieben wird. Anschließend durchströmt das Abgas die weitere Turbine und treibt diese an, worüber der korrespondierende Verdichter angetrieben wird. Dies hält den Steuerungs- bzw. Regelungsaufwand für die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung gering, da das Abgas auf einfache Art und Weise von der ersten zu der stromab der ersten angeordneten zweiten Turbine geleitet werden kann.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weist bevorzugt die in Strömungsrichtung des Abgases zuerst von dem Abgas durchströmbare Turbine eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie auf, wobei diese Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweisen kann und/oder diese Turbine ist hinsichtlich ihrer Dimensionen und/oder ihres effektiven Strömungsquerschnitts und/oder hinsichtlich ihrer bzw. der Trägheit ihres Turbinenrads geringer dimensioniert bzw. ausgestaltet als die zweite stromab dieser angeordnete Turbine. Die zweite Turbine, welche als zweite der seriell zueinander angeordneten Turbinen von dem Abgas durchströmt wird, weist beispielsweise eine feste, d. h. nicht verstellbare Turbinengeometrie auf. Dies bedeutet, dass die erste Turbine, welche als erste der seriell zueinander geschalteten bzw. angeordneten Turbinen mit Abgas durchströmt wird, auch von nur geringen Abgasmassenströmen und damit in niedrigen und mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine effizient angetrieben werden kann und an eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Die erste Turbine fungiert als Hochdruck-Turbine, welche das Abgas von einem hohen auf ein demgegenüber niedriges Druckniveau expandiert. So kann die erste Turbine die im Abgas enthaltene Energie besonders gut nutzen, um den Verdichter anzutreiben. Die zweite Turbine fungiert als Niederdruck-Turbine, da das Abgas stromauf der ersten Turbine einen höheren Druck aufweist als stromab der ersten und stromauf der zweiten Turbine. Dadurch ist eine besonders effiziente Aufladung der Verbrennungskraftmaschine erreicht.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Turbinen der Verdichter zumindest in dem dritten Betriebszustand seriell zueinander geschaltet. Auch dies hält den Steuerungs- bzw. Regelungsaufwand für die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung gering, da das Abgas von der ersten der seriell zueinander geschalteten bzw. angeordneten Turbine zu der zweiten geleitet wird. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die in Strömungsrichtung des Abgases zuerst von dem Abgas durchströmbare Turbine eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie aufweist, sprich' eine variable Turbinengeometrie aufweist und/oder diese Turbine hinsichtlich ihrer Dimensionen und/oder hinsichtlich ihres effektiven Strömungsquerschnitts und/oder hinsichtlich ihrer bzw. der Trägheit ihres Turbinenrads geringer dimensioniert bzw. ausgestaltet ist als die zweite Turbine, welche in Strömungsrichtung des Abgases stromab der ersten Turbine eingeordnet ist und erst nach der ersten Turbine von dem Abgas durchströmt und angetrieben wird. Damit einher gehen die diesbezüglich bereits zuvor geschilderten Vorteile. Die Verbrennungskraftmaschine ist dadurch in einer Vielzahl von Betriebspunkten, insbesondere zumindest nahezu im gesamten Kennfeld, besonders effizient aufzuladen und weist einen besonders geringen Kraftstoffverbrauch sowie ein sehr gutes Fahrverhalten auf infolge des sehr guten Ansprechverhaltens der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufladeeinrichtung in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Lastanforderung zwischen den Betriebszuständen schaltbar. Bei dieser vorgebbaren Lastanforderung handelt es sich beispielsweise um eine Leistungs- und/oder Drehmomentenanforderung eines Fahrers des Kraftwagens, welcher beispielsweise die Drehmomentenanforderung mittels eines Fahrpedals, insbesondere eines Gaspedals, einstellt und vorgibt. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung besonders bedarfsgerecht und zumindest nahezu verzögerungsfrei geschaltet und an den Wunsch des Fahrers angepasst werden, was dem sehr guten Verhalten der Verbrennungskraftmaschine zuträglich ist und das so genannte Turboloch zumindest im Wesentlichen vermeidet.
Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung je nach gewünschtem Drehmomenten- bzw. Leistungsbedarf zwischen den Betriebszuständen schaltbar ist. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden, da von der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung zumindest im Wesentlichen lediglich so viel Leistung bzw. Drehmoment bereitgestellt wird, wie es im aktuell vorliegenden Betriebspunkt vonnöten ist.
Tritt jedoch ein Auslöseereignis wie beispielsweise eine Notbeschleunigung oder die Betätigung eines Kick-Down-Schalters ein, so wird die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung in einen der Betriebszustände geschaltet, in welchem die maximal mögliche Leistung bzw. das maximal mögliche Drehmoment für die Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebszustand die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des einen der Verdichter verdichtbar, wobei die Turbinen der Verdichter seriell zueinander geschaltet sind. Das bedeutet, dass beide Turbinen von dem Gas nacheinander durchströmt werden, wobei das Abgas zunächst eine der Turbinen als erste der Turbinen durchströmt und antreibt, woraufhin das Abgas die andere der Turbinen als die zweite Turbine durchströmt und antreibt. Dies ermöglicht einen besonders vorteilhaften Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebszustand, so dass die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ein besonders gutes Ansprechverhalten aufweist. Durch diesen Übergang ist es ermöglicht, dass die dem einen Verdichter zugeordnete Turbine, mittels welchem die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft im ersten Betriebszustand verdichtet wird, den Verdichter antreiben kann, und die andere Turbine mit Abgas beaufschlagt und dadurch allmählich gestartet und auf Drehzahl gebracht werden kann, ohne dass es zu einem abrupten und das Fahrverhalten und den Fahrkomfort des Kraftwagens bzw. der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinträchtigenden Übergang zwischen den Betriebszuständen kommt. Mit anderen Worten ist dadurch ein besonders vorteilhafter und sanfter Übergang zwischen den Betriebspunkten geschaffen, was dem Ansprechverhalten und dem Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine zuträglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist entweder einer von beiden Verdichtern oder es weisen beide Verdichter eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Verdichtergeometrie auf. Mit derart ausgebildeten Verdichtern kann insbesondere eine Drehzahl des entsprechenden Abgasturboladers insbesondere bei Niedriglast auf einer bestimmten Drehzahl gehalten werden, so dass das Ansprechverhalten des entsprechenden Abgasturboladers wesentlich verbessert wird.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Kraftwagen mit einer erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung, wobei in einem Fahrgastraum, insbesondere an einem Armaturenbrett, des Kraftwagens eine Betätigungseinrichtung angeordnet ist, mittels welchem die Aufladeeinrichtung von einer Person, beispielsweise einem Fahrer des Kraftwagens, zwischen den Betriebszuständen schaltbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts sind als vorteilhafte Ausgestaltung des ersten Aspekts anzusehen und umgekehrt. Diese Schaltbarkeit ermöglicht eine bedarfsgerechte Bereitstellung einer notwendigen Leistung und/oder eines notwendigen Drehmoments durch die Aufladeeinrichtung, wie es in dem aktuell vorliegenden Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erforderlich ist. Auch hierbei kann vorgesehen sein, dass, wenn ein Auslöseereignis wie beispielsweise eine Notbeschleunigung oder eine Betätigung eines Kick-Down-Schalters auftritt, die Aufladeeinrichtung automatisch in einen der Betriebszustände geschaltet wird, in welchem das von der Aufladeeinrichtung maximal bereitzustellende Drehmoment und/oder die maximal bereitzustellende Leistung bereitgestellt werden kann. So ist sichergestellt, dass in bestimmten Fahrsituationen ausreichend Drehmoment oder Leistung zur Verfügung stehen.
Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei Abgasturboladern, welche jeweils eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbine und jeweils einen von der jeweiligen Turbine antreibbaren und von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft durchströmbaren Verdichter aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aufladeeinrichtung zwischen zumindest vier Betriebszuständen geschaltet wird, wobei in einem ersten der Betriebszustände die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels eines der Verdichter verdichtet wird. In einem zweiten der Betriebszustände wird die Luft von beiden in diesem Betriebszustand seriell zueinander geschalteten Verdichtern verdichtet. In einem dritten der Betriebszustände wird die Luft von beiden in diesem Betriebszustand parallel zueinandergeschalteten Verdichtern verdichtet, und in einem vierten der Betriebszustände wird die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des bezüglich des ersten Betriebszustands anderen der Verdichter verdichtet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der ersten beiden Aspekte sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Aufladeeinrichtung besonders bedarfsgerecht zu betreiben, um die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu in ihrem gesamten Kennfeld besonders effizient und effektiv mit Luft versorgen zu können, damit diese ein gewünschtes Drehmoment und eine erhöhte Leistung bereitstellen kann. Insbesondere vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Übergang von einem in einen anderen Betriebpunkt der Verbrennungskraftmaschine, wobei das erfindungsgemäße Verfahren ein besonders gutes und geringes Ansprechverhalten der Aufladeeinrichtung und damit der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
So ist beispielsweise vorgesehen, dass die Aufladeeinrichtung in den ersten Betriebszustand geschaltet wird, wenn niedrige und mittlere Lasten und/oder Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine vorliegen. Das Abgas, welches die Turbine durchströmt, die wiederum den entsprechenden Verdichter im ersten Betriebszustand antreibt, kann direkt zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung geleitet werden, so dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders vorteilhaft auf ihrer Betriebstemperatur gehalten werden kann. In diesem ersten Betriebspunkt wird demnach zumindest im Wesentlichen nur die Turbine angetrieben, die den Verdichter antreibt, welcher in dem ersten Betriebszustand die Luft verdichtet. Dadurch kann der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine und damit CO₂-Emissionen gering gehalten werden.
Liegen demgegenüber höhere Lasten und/oder Drehzahlen vor bzw. kommt es zu einem Übergang von einem Betriebspunkt zu einem weiteren Betriebspunkt, in welchem gegenüber dem ersten Betriebszustand höhere Lasten und/oder höhere Drehzahlen vorliegen, so wird das Abgas nicht mehr oder nicht mehr ausschließlich zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung sondern zu der zweiten Turbine geleitet, welche dem Verdichter zugeordnet ist und den Verdichter antreibt, der den ersten Betriebszustand die Luft nicht verdichtet. So wird die zweite Turbine und damit der zweite Verdichter allmählich gestartet und in Betriebszustand gebracht, so dass ein besonders gutes Ansprechverhalten ohne abrupten und das Fahrverhalten negativ beeinträchtigenden Übergang geschaffen ist. Dabei sind die Verdichter seriell oder parallel zueinander geschaltet. Dies bedeutet einen geringen Regelungs- bzw. Steuerungsaufwand für die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung, da bei diesem seriell zueinander geschalteten Betriebszustand wie auch bei den parallel zueinander geschalteten Betriebszustand das Abgas von der ersten Turbine zu der seriell zu dieser gestalteten und stromab dieser angeordneten zweiten Turbine geleitet wird.
Kommt es demgegenüber zu noch höheren Drehzahlen und/oder Lasten, so wird zumindest im Wesentlichen lediglich die Turbine angetrieben und mit dem Abgas beaufschlagt, welche den Verdichter antreibt, der im ersten Betriebszustand nicht die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtet. Diese Turbine ist vorteilhafter Weise auf Volllast der Verbrennungskraftmaschine sowie auf hohe Drehzahlen ausgelegt und weist gegenüber der Turbine, die dem Verdichter zugeordnet ist, der ausschließlich im ersten Betriebszustand die Luft verdichtet, eine größere Trägheit und/oder einen größeren effektiven Strömungsquerschnitt und/oder eine feste Turbinengeometrie oder größere Dimensionen auf, so dass bei Volllast und hohen Abgasmassenströmen der entsprechende Verdichter besonders effizient angetrieben und die der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft besonders effizient zu verdichten ist. Dies ermöglicht die Darstellung einer besonders hohen Leistung, da zumindest im Wesentlichen lediglich eine und auf die Vorlastbereiche ausgelegte Turbine der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung angetrieben wird und den entsprechenden Verdichter antreibt und somit zur Darstellung maximaler Drehmomente und maximaler Leistung der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. So sind bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen keine Parallelschaltung und/oder Serienschaltung der Turbinen bzw. der Verdichter vorgesehen, was auch den Regelung- bzw. Steuerungsaufwand gering hält.
Weitere Vorteile, Merkmal und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele 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 zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 eine Prinzipsskizze einer Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, welche zwischen einer Mehrzahl an Betriebszuständen schaltbar ist und welche in einen der Betriebszustände geschaltet ist;
2 eine weitere Prinzipsskizze der Aufladeeinrichtung gemäß 1, welche in einen weiteren der Betriebszustände geschaltet ist;
3 eine weitere Prinzipsskizze der Aufladeeinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren, welche in einen weiteren der Betriebszustände geschaltet ist.
4 eine weitere Prinzipsskizze der Aufladeeinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren, welche in einen weiteren der Betriebszustände geschaltet ist;
5 eine weitere Prinzipskizze der Aufladeeinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren, welche in einen weiteren der Betriebszustände geschaltet ist; und
6 eine Prinzipsskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der Aufladeeinrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren, welche zwischen einer Mehrzahl an Betriebszuständen schaltbar ist.
Die 1 zeigt eine Aufladeeinrichtung 10 für eine Verbrennungskraftmaschine wie beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Ottomotor eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Aufladeeinrichtung 10 umfasst einen Abgasturbolader 12 mit einer in einem Abgastrakt 14 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Turbine 16 und einem in einem Ansaugtrakt 18 der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Verdichter 20. Die Turbine 16 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein mit einer Welle 22 des Abgasturboladers 12 drehfest verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Der Verdichter 20 umfasst ein Verdichtergehäuse, in welchem ein ebenso mit der Welle 22 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Der Verdichter 20 dient dazu, der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten.
Darüber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung 10 einen weiteren Abgasturbolader 24, welcher ebenso eine in dem Abgastrakt 14 angeordnete weitere Turbine 26 aufweist. Auch die weitere Turbine 26 umfasst ein Turbinengehäuse, in welchem ein drehfest mit einer weiteren Welle 28 des weiteren Abgasturboladers 24 verbundenes Turbinenrad drehbar aufgenommen ist. Auch der weitere Abgasturbolader 24 umfasst einen weiteren Verdichter 30 mit einem Verdichtergehäuse, in welchem ein mit der weiteren Welle 28 drehfest verbundenes Verdichterrad drehbar aufgenommen ist. Auch mittels des weiteren Verdichters 30 ist der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft verdichtbar. Der Verdichter 20 und der weitere Verdichter 30 sind dabei von der jeweils korrespondierenden Turbine 16 bzw. 26 antreibbar. Die Turbine 16 und die weitere Turbine 26 sind derart antreibbar, dass sie von Abgas durchströmt werden. Mit dem Abgas werden die Turbinenräder beaufschlagt und dadurch angetrieben, so dass über die Welle 22 und die weitere Welle 28 die Verdichterräder der Verdichter 20 bzw. 30 angetrieben werden.
Um das Abgas der Verbrennungskraftmaschine der Turbine 16 und der weiteren Turbine 26 zuführen zu können, umfasst die Aufladeeinrichtung 10 eine Mehrzahl von Abgasleitungen 32, 34, 36, 38, 40 und 42, welche von dem Abgas durchströmbar sind.
Um der Aufladeeinrichtung Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen, ist ein Abgaskrümmer 44 vorgesehen, welcher das aus Brennräumen, insbesondere Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine strömendes Abgas sammelt und der fluidisch mit dem Abgaskrümmer 44 verbundenen Abgasleitung 32 zu führt. Mit anderen Worten kann das Abgas aus dem Abgaskrümmer 44 in die Abgasleitung 32 gemäß einem Richtungspfeil 46 einströmen.
Die Turbine 16 ist eingangsseitig fluidisch mit der Abgasleitung 34 verbunden, welche wiederum an einer Verbindungsstelle 48 fluidisch mit der Abgasleitung 32 verbunden ist. Ausgangsseitig ist die Turbine 16 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, so dass das die Turbine 16 durchströmende Abgas von der Turbine 16 abführbar und zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 führbar ist, welche beispielsweise einen Katalysator umfasst und welche das Abgas reinigen kann, bevor es an die Umwelt entlassen wird.
Die weitere Turbine 26 ist eingangsseitig mit der Abgasleitung 36 fluidisch verbunden, so dass Abgas auch zur weiteren Turbine 26 geleitet werden kann. Ausgangsseitig ist die weitere Turbine 26 mit der Abgasleitung 42 verbunden, mittels welcher das Abgas von der weiteren Turbine 26 abgeführt und zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 geleitet werden kann.
Um verschiedene Betriebszustände der Aufladeeinrichtung 10 realisieren zu können, umfasst die Aufladeeinrichtung 10 ein Regelventil 52, welches in der Abgasleitung angeordnet ist, sowie ein Ventil 54, welches als Wastegate-Ventil fungiert und in der Abgasleitung 40 angeordnet ist. Das Regelventil 52 und das Ventil 54 sind zwischen einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Abgasleitung 36 bzw. 40 fluidisch freigebende Freigabestellung verstellbar, so dass das Abgas in der Freigabestellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann bzw. in der Schließstellung das Abgas die Abgasleitung 36 bzw. 40 nicht durchströmen kann. Darüber hinaus ist es möglich, insbesondere das Ventil 54 und/oder gegebenenfalls das Regelventil 52 in wenigstens eine Zwischenstellung zu schalten, in welcher ein Strömungsquerschnitt der Abgasleitung 36 bzw. 40 mittels des Regelventils 52 bzw. des Ventils 54 dargestellt ist, welcher größer ist als in der Schließstellung jedoch geringer als in der Freigabestellung. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Abgas in der Zwischenstellung die Abgasleitung 36 bzw. 40 durchströmen kann, jedoch über einen geringeren Querschnitt als in der Freigabestellung, so dass es die Abgasleitung 36 bzw. 40 gegenüber der Freigabestellung gedrosselt durchströmen kann.
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist die Abgasleitung 38 einerseits an einer Verbindungsstelle 53 fluidisch mit der Abgasleitung 40 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 53 stromab der Turbine 16 und stromauf des Ventils 54 angeordnet ist. Andererseits ist die Abgasleitung 38 an einer Verbindungsstelle 56 fluidisch mit der Abgasleitung 36 verbunden, wobei die Verbindungsstelle 56 stromab des Regelventils 52 und stromauf der weiteren Turbine 26 angeordnet ist.
Darüber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung 10 in dem Ansaugtrakt 18 angeordnete Luftleitungen 58, 60, 62, 64 und 66, um dem Verdichter 20 und dem weiteren Verdichter 30 zu verdichtende Luft zuführen und verdichtete Luft von diesen abführen zu können.
Die Luftleitung 58 ist einerseits verbunden mit einem in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Luftfilter 68, mittels welchem von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft zu filtern ist. Von dem Luftfilter ist der Luftleitung 58 die gefilterte Luft gemäß einem Richtungspfeil 70 zuzuführen. Der weitere Verdichter 30 ist eingangsseitig fluidisch mit der Luftleitung 58 verbunden, so dass dem weiteren Verdichter 30 über die Luftleitung 58 zu verdichtende Luft zuzuführen ist. Ausgangsseitig ist der weitere Verdichter 30 mit der Luftleitung 60 verbunden, um die von diesem verdichtete Luft abzuführen. Die Luftleitung 60 ist des Weiteren mit einem Ladeluftkühler 72 fluidisch verbunden. Mittels des Ladeluftkühlers 72 ist die infolge der Verdichtung erwärmte Luft abzukühlen, um den Aufladegrad zu erhöhen.
Der Verdichter 20 ist eingangsseitig mit der Luftleitung 64 verbunden, um dem Verdichter 20 zu verdichtende Luft zuführen zu können. Ausgangsseitig ist der Verdichter 20 mit der Luftleitung 66 verbunden, um die von dem Verdichter 20 verdichtete Luft von diesem abführen zu können.
Die Luftleitung 62 ist einerseits an einer Verbindungsstelle 74 fluidisch mit der Luftleitung 58 und andererseits an einer Verbindungsstelle 76 mit der Luftleitung 60 fluidisch verbunden. An der Verbindungsstelle 76 ist auch die Luftleitung 64 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden. Zur Darstellung unterschiedlicher Betriebszustände umfasst die Aufladeeinrichtung 10 ferner ein selbstregelndes Rückschlagventil 78, welches in der Luftleitung 62 zwischen der Verbindungsstelle 74 und der Verbindungsstelle 76 angeordnet ist. Außerdem umfasst die Aufladeeinrichtung 10 ein weiteres selbstregelndes Rückschlagventil 80, welches in der Luftleitung 60 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 80 ist dabei stromab der Verbindungsstelle 76 und stromauf einer weiteren Verbindungsstelle 82 angeordnet, an welcher die Luftleitung 66 fluidisch mit der Luftleitung 60 verbunden ist. Die Rückschlagventile 78 und 80 sind dabei selbstregelend zwischen einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Luftleitung 62 bzw. 60 fluidisch freigebenden Freigabestellung verstellbar.
Die Turbine 16 weist eine so genannte variable Turbinengeometrie auf und ist dadurch an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine, das heißt an unterschiedliche Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases anpassbar. Mittels der variablen Turbinengeometrie kann ein effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine 16 eingestellt, d. h. vergrößert und demgegenüber verkleinert werden.
Die weitere Turbine 26 weist eine feste Turbinengeometrie auf. Die weitere Turbine 26 ist, wie in der 1 schematisch dargestellt ist, hinsichtlich ihres effektiven Strömungsquerschnitts größer ausgestaltet und auf besonders große Massenströme des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases ausgelegt. Dementsprechend weist das Turbinenrad eine gegenüber der Trägheit des Turbinenrads der Turbine 16 höhere Trägheit auf, stellt jedoch aufgrund ihres gegenüber der Turbine 16 größeren Strömungsquerschnitt einen geringeren Strömungswiderstand für das Abgas dar als die Turbine 16. Demgegenüber weist die Turbine 16 den Vorteil auf, dass ihr Turbinenrad eine geringere Trägheit als das Turbinenrad der weiteren Turbine 26 aufweist und dementsprechend schneller zu beschleunigen ist, was insbesondere bei geringeren Massenströmen des Abgases von Vorteil ist.
Wird die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf oder bei niedrigen Lasten und Drehzahlen betrieben, so erfolgt eine Verdichtung der ihr zuzuführenden Luft lediglich mittels des Verdichters 20, welcher von der Turbine 16 angetrieben wird. Dabei wird lediglich die Turbine 16 von dem den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgas angetrieben. Dies stellt einen ersten Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10 dar. In diesem ersten Betriebszustand befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Freigabestellung befindet. In diesem Betriebszustand strömt das Abgas aus dem Abgaskrümmer 44 in die Abgasleitung 32 gemäß dem Richtungspfeil 46 ein und strömt aufgrund des geschlossenen Regelventils 52 weiter über die Verbindungsstelle 48 in die Abgasleitung 34 gemäß einem Richtungspfeil 84 und in die Turbine 16, wodurch das Turbinenrad der Turbine 16 und damit das Verdichterrad des Verdichters 20 angetrieben wird. Nach Durchströmen der Turbine 16 strömt das Abgas weiter in die Abgasleitung 40 gemäß einem Richtungspfeil 86. Die Abgasleitung 40 leitet das Abgas weiter über das geöffnete Ventil 54 gemäß einem Richtungspfeil 88 zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung 50.
Aufgrund des gegebenen Druckgefälles strömt das Abgas nicht oder ein nur sehr geringer Teil des Abgases von der Abgasleitung 40 über die Verbindungsstelle 53 in die Abgasleitung 38, so dass die weitere Turbine 26 nicht von dem Abgas angetrieben wird. Dies bedeutet, dass lediglich der Abgasturbolader 12 mit der Turbine 16 aktiv ist, während der weitere Abgasturbolader 24 mit der weiteren Turbine 26 inaktiv ist.
Auf Seiten des Ansaugtrakts 18 befindet sich das Rückschlagventil 80 in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 78 in seiner Offenstellung befindet. Dadurch strömt die Luft aus dem Luftfilter 68 gemäß einem Richtungspfeil 70 in die Luftleitung 58 und aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 und weiter über das geöffnete Rückschlagventil 78 gemäß einem Richtungspfeil 90 zu dem Verdichter 20, welcher von der Turbine 16 angetrieben wird und mittels welchem die Luft verdichtet wird. Nachdem der Verdichter 20 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 92 zur Verbindungsstelle 82, strömt in die Luftleitung 60 stromab des Rückschlagventils 80 ein und gemäß einem Richtungspfeil 94 weiter zum Ladeluftkühler 72.
In diesem ersten Betriebszustand kann somit die Luft auch bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen und bei niedrigen Massenströmen des Abgases besonders effizient verdichtet werden, da die Turbine 16, wie geschildert, besonders gut bei diesen Bedingungen angetrieben werden kann. Die Aufladeeinrichtung 10 weist weiterhin den Vorteil auf, dass im Abgastrakt 14 ein sehr geringer Druckverlust gegeben ist, da das Abgas in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 50, zumindest in einem Teil der Betriebszustände der Aufladeeinrichtung 10, über die Abgasleitung 40 und/oder die Abgasleitung 42 zu der und in die Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 strömen kann.
Bei derartig niedrigen Drehzahl- und/oder Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine ist mittels der variablen Turbinengeometrie der Turbine 16 ein effektiver Strömungsquerschnitt der Turbine 16 eingestellt, welcher gegenüber einem mittels der variablen Turbinengeometrie einstellbaren maximalen Strömungsquerschnitt geringer ist. So liegt ein gedrosselter Betrieb der Turbine 16 vor, in welchem sie auch mit besonders geringen Massenströmen des Abgases besonders gut antreibbar ist.
Die 2 zeigt einen weiteren Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10, welcher einen Übergangsbetriebszustand darstellt. Kommt es ausgehend von dem zur 1 geschilderten Betriebspunkt mit niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen zu einem Übergang der Verbrennungskraftmaschine zu einem Betriebspunkt, in welchem demgegenüber höhere Drehzahlen und/oder Lasten vorliegen, so verbleibt das Regelventil 52 in seiner die Abgasleitung 36 fluidisch versperrenden Schließstellung.
Auch das Rückschlagventil 78 verbleibt in seiner Freigabestellung, und das Rückschlagventil 80 verbleibt in seiner Schließstellung.
Im Gegensatz zum ersten bezüglich der 1 geschilderten Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10 wird das Ventil 54 in seine Zwischenstellung überführt, so dass das Abgas die Abgasleitung 40 nur noch gedrosselt durchströmen kann. Dies bewirkt einen gegenüber dem ersten Betriebszustand höheren Widerstand für das Abgas, so dass dadurch bewirkt ist, dass das Abgas über die Verbindungsstelle 53 von der Abgasleitung 40 in die Abgasleitung 38 gemäß einem Richtungspfeil 96 einströmt. Das Abgas strömt weiter über die Verbindungsstelle 56 in die Abgasleitung 36 und in die weitere Turbine 26, so dass das Abgas die weitere Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad antreiben kann. Nach Durchströmen der weiteren Turbine 26 strömt das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 98 in die Abgasleitung 42, mittels welcher das Abgas zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 geleitet wird. Darüber hinaus wird die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 derart eingestellt, dass sie gegenüber dem ersten Betriebszustand einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist. Dies hat den Vorteil, dass der vergrößerte Strömungsquerschnitt nun für den größeren Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht großen Strömungswiderstand darstellt, wie es beispielsweise bei einem demgegenüber kleineren und im ersten Betriebszustand vorliegenden Strömungsquerschnitt der Fall wäre.
Durch diesen. Übergangsbetriebszustand ist es ermöglicht, die weitere Turbine 26 und damit den weiteren Abgasturbolader 24 allmählich zu starten und auf Drehzahl zu bringen, ohne dass ein unerwünscht abrupter Übergang vor einem ersten zu einem weiteren Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10 gegeben ist. Jedoch ist zu beachten, dass auch in dem Übergangszustand die Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft lediglich mittels des Verdichters 20 verdichtet wird. Der weitere Verdichter 30 trägt in diesem Übergangszustand noch nicht zu der Verdichtung der Luft bei.
3 zeigt einen weiteren Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10, in welchem eine zweistufige serielle Verdichtung der Luft durch den Verdichter 20 und den weiteren Verdichter 30 gegeben ist. Das Regelventil 52 befindet sich nach wie vor in seiner Schließstellung, während sich das Ventil 54 in seiner Zwischenstellung befindet. Die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 weist einen größeren Strömungsquerschnitt auf als im ersten Betriebszustand. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die variable Turbinengeometrie zur Darstellung eines maximal einstellbaren effektiven Strömungsquerschnitts der Turbine 16 maximal geöffnet ist.
Im Unterschied zu den vorhergehenden Betriebszuständen der Aufladeeinrichtung 10 sind nun jedoch die Rückschlagventile 78 und 80 in ihre Schließstellungen eingestellt. Dies bewirkt, dass die Luft nun nicht über die Verbindungsstelle 74 in die Luftleitung 62 einströmt, sondern gemäß einem Richtungspfeil 100 über die Luftleitung 58 zum Verdichter 30 strömt und in diesen einströmt. Nachdem der Verdichter 30 die Luft verdichtet hat, strömt diese weiter gemäß einem Richtungspfeil 102 durch die Luftleitung 60 und strömt aufgrund des geschlossenen Rückschlagventils 80 über die Verbindungsstelle 76 in die Luftleitung 64 gemäß einem Richtungspfeil 104 ein und wird dem Verdichter 20 des Abgasturboladers 12 zugeführt.
In dem in der 3 gezeigten weiteren Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10 wird die Luft somit zunächst durch den weiteren Verdichter 30 als erste Stufe und anschließend durch den seriell zu dem weiteren Verdichter 30 geschalteten und in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 18 stromab dieses angeordneten Verdichters 20 als zweite Stufe zweistufig nacheinander verdichtet. Dieser Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 10 wird dann eingestellt, wenn es ausgehend von den bezüglich der 2 geschilderten Bedingungen bzw. dem Betriebspunkt zu einer weiteren Erhöhung der Last und/oder der Drehzahl und damit des Massenstroms des Abgases durch den Abgastrakt 14 kommt. Die weitere Turbine 26 bzw. deren Turbinenrad weist dann eine nicht unerhebliche Drehzahl auf, so dass der dadurch angetriebene weitere Verdichter 30 zur Verdichtung der Luft in nicht unerheblichem Maße beitragen kann.
In diesem Betriebszustand sind nicht nur der Verdichter 20 und der weitere Verdichter 30 sondern, wie schon in dem Übergangsbetriebszustand gemäß 2, auch die Turbine 16 und die weitere Turbine 20 seriell zueinander gestaltet. Dies bedeutet, dass das Abgas zunächst die Turbine 16 und danach anschließend die weitere Turbine 26 durchströmt. So wird das Abgas zunächst durch die Turbine 16 und anschließend nochmals durch die weitere Turbine 26 expandiert. Da das Abgas stromauf der Turbine 16 einen höheren Druck aufweist als stromauf der weiteren Turbine 26 und stromab der Turbine 16, werden die Turbine 16 in derartigen Betriebszuständen als Hochdruck-Turbine und damit der Abgasturbolader 12 als Hochdruck-Abgasturbolader und die weitere Turbine 26 als Niederdruck-Turbine und damit der weitere Abgasturbolader 24 als Niederdruck-Abgasturbolader bezeichnet. Dabei sei angemerkt, dass sich die weitere Turbine 26 bzw. dessen Turbinenrad wie schon in dem Übergangsbetriebszustand gemäß 2 noch in einer so genannten Anlauf- bzw. Hochlaufphase befindet, in welcher die Turbine 16 bzw. das entsprechende Turbinenrad hinsichtlich seiner Drehzahl noch beschleunigt wird.
Kommt es ausgehend von der bezüglich in 3 geschilderten Bedingung bzw. Betriebspunkt zu einer weiteren Erhöhung der Lasten und/oder der Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, so wird die auf der Aufladeeinrichtung 10 in einen weiteren Betriebszustand geschaltet, welcher anhand der 4 dargestellt ist.
In diesem Betriebszustand befindet sich das Regelventil 52 in seiner Schließstellung. Ebenso befindet sich das Ventil 54 in seiner Schließstellung, so dass das Abgas die Abgasleitung 40 nicht (auch nicht gedrosselt) durchströmen kann. Das Rückschlagventil 78 befindet sich indes in seiner Schließstellung, während sich das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung befindet. Die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 ist auf ihren maximal einstellbaren, d. h. größtmöglichen effektiven Strömungsquerschnitt eingestellt, so dass sie für den mit den erhöhten Drehzahlen und/oder Lasten einhergehenden erhöhten Massenstrom des Abgases keinen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellt.
Durch die so geschaltete Aufladeeinrichtung 10 kommt es insbesondere aufgrund gegebener Druckgefälle zu einer Strömung der Luft über die Luftleitung 58 zum weiteren Verdichter 30, durch welchen die Luft verdichtet wird. Anschließend strömt die Luft über die Luftleitung 60 zu dem Ladeluftkühler 72 gemäß einem Richtungspfeil 106.
Ferner kann die Luft über die Luftleitung 64 zu dem Verdichter 20 strömen, durch welchen sie ebenso verdichtet wird. Anschließend strömt die verdichtete Luft gemäß einem Richtungspfeil 108 durch die Luftleitung 66 und über die Verbindungsstelle 82 in die Luftleitung 60 und gemäß dem Richtungspfeil 94 ebenso zu dem Ladeluftkühler 72.
Dadurch ist ein paralleler Betrieb des Verdichters 20 und des weiteren Verdichters 30 dargestellt, welche die Luft gleichzeitig verdichten. Die Turbinen 16 und 26 indes sind nach wie vor seriell zueinander geschaltet und werden nacheinander von dem Abgas durchströmt. Beide Abgasturbolader, der Abgasturbolader 12 und der weitere Abgasturbolader 24 sind aktiv.
Kommt es zu einer weiteren Erhöhung der Drehzahlen und/oder der Lasten und damit des Massenstroms des den Abgastrakt 14 durchströmenden Abgases, so wird das Regelventil 52 in seine Freigabestellung verstellt, während das Ventil 54 in seiner Schließstellung verbleibt. Das Rückschlagventil 78 verbleibt in seiner Schließstellung, während das Rückschlagventil 80 in seiner Offenstellung verbleibt. Auch die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 verbleibt derart, dass der maximal einstellbare effektive Strömungsquerschnitt eingestellt ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die variable Turbinengeometrie der Turbine 16 demgegenüber gedrosselt ist. Dies bedeutet, dass ein gegenüber dem maximalen Strömungsquerschnitt geringer Strömungsquerschnitt eingestellt ist.
Wie der 5 zu entnehmen ist, strömt nun das Abgas insbesondere aufgrund von gegebenen Druckgefällen über die Abgasleitung 36 und das Regelventil 52 zumindest im Wesentlichen direkt zur weiteren Turbine 26 und treibt diese an. In diesem weiteren Betriebszustand der Aufnahmeeinrichtung 10 ist eine besonders hohe Leistung und ein besonders hohes Drehmoment darstellbar, da die insbesondere hinsichtlich ihrer Dimensionen, und insbesondere ihres Strömungsquerschnitts, größere weitere Turbine 26 (als die Turbine 16) alleinig aktiv ist und von dem Abgas angetrieben wird. Das Abgas muss in derartigen Volllastbereichen nicht durch einen gegenüber der weiteren Turbine 26 geringen Strömungsquerschnitt der Turbine 16 strömen, was einen unerwünscht hohen Strömungswiderstand darstellen würde.
Aufseiten des Ansaugtrakts 18 erfolgt nun die Verdichtung zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des weiteren Verdichters 30 und nicht mehr auch und/oder zusätzlich durch den Verdichter 20, wie es bei den Betriebszuständen gemäß 3 und 4 der Fall ist. Im Gegensatz zum ersten Betriebszustand gemäß 1 erfolgt nun allerdings die Verdichtung der Luft nicht durch den Verdichter 20, sondern durch den zur der weiteren Turbine 26 korrespondierenden weiteren Verdichter 30. Die Luft wird dem weiteren Verdichter 30 über die Luftleitung 58 zu- und über die Luftleitung 60 ab- und dem Ladeluftkühler 72 zugeführt. Eine Zuführung der Luft zu dem Verdichter 20 und eine Verdichtung durch ihn erfolgt nicht.
Wie den 1 bis 5 zu entnehmen ist, ist die Aufladeeinrichtung 10 besonders flexibel an unterschiedliche Betriebszustände der Kraftmaschine anpassbar und weist ein besonders gutes und geringes Ansprechverhalten auf, sodass bei Betriebspunktübergängen das so genannte Turboloch zumindest im Wesentlichen vermieden wird und die Verbrennungskraftmaschine zumindest nahezu in ihrem gesamten Kennfeld vorteilhaft mit verdichteter Luft versorgt werden kann. Dies kommt dem Fahrverhalten der Verbrennungskraftmaschine zugute, da so zumindest nahezu in dem gesamten Kennfeld gewünschte Leistungen und/oder Drehmomente zu realisieren sind. Dies bedeutet insbesondere eine sehr gute Anpassbarkeit des Fahrverhaltens der Verbrennungskraftmaschine an unterschiedliche Fahrsituationen wie beispielsweise das Fahren im Stadtverkehr oder über Land.
Selbstverständlich können zusätzliche und/oder anderweitige Ventileinrichtungen als die in den 1 bis 5 gezeigten vorgesehen sein, um die geschilderten Betriebszustände der Aufladeeinrichtung 10 zu realisieren. Auch eine anderweitige Anordnung ist möglich. Beispielsweise kann stromauf der Turbine 16 eine Ventileinrichtung, insbesondere ein selbstregelndes Rückschlagventil vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, stromab der Turbine 16 und stromauf der weiteren Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil einzusetzen, um den Ladedruck zu regeln. Alternativ oder zusätzlich ist möglich dass der Turbine 16 und/oder der weiteren Turbine 26 ein als Wastegate fungierendes Ventil zugeordnet ist.
Die 6 zeigt ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der Aufladeeinrichtung 10 gemäß den vorhergehenden Figuren. Wie der 6 zu entnehmen ist, ist das selbstregelnde Rückschlagventil 78 in der Luftleitung 58 stromab der Verbindungsstelle 74 und stromauf des weiteren Verdichters 30 angeordnet. Das selbstregelnde Rückschlagventil 80 ist in der Luftleitung 66 stromab des Verdichters 20 und stromauf der Verbindungsstelle 82 angeordnet. Darüber hinaus ist eine weitere Luftleitung 67 vorgesehen, welche einerseits an einer Verbindungsstelle 63 fluidisch mit der Luftleitung 62 und andererseits an einer Verbindungsstelle 65 fluidisch mit der Luftleitung 66 verbunden ist. Die Verbindungsstelle 63 ist dabei stromab der Verbindungsstelle 74 und stromauf des Verdichters 20 angeordnet. Die Verbindungsstelle 65 ist stromab des Verdichters 20 und des Rückschlagventils 80 und stromauf der Verbindungsstelle 82 angeordnet. In der Luftleitung 67 ist eine Ventileinrichtung 81 angeordnet, wobei es sich beispielsweise um ein Regelventil handelt, welches zwischen einer die Luftleitung 67 fluidisch versperrenden Schließstellung und einer die Luftleitung 67 fluidisch freigebenden Freigabestellung verstellbar ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Ventileinrichtung 81 wie beispielsweise das Regelventil 52 in zumindest eine Zwischenstellung verstellbar ist, in welcher mittels der Ventileinrichtung 81 ein Strömungsquerschnitt der Luftleitung 67 dargestellt ist, welcher größer ist als in der Schließstellung kleiner als in der Freigabestellung der Ventileinrichtung 81.
Aufseiten des Abgastrakts 14 ist Abgasleitung 40 nun nicht mehr mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 fluidisch verbunden. Die Abgasleitung 40 ist an einer Verbindungsstelle 41 fluidisch mit der Abgasleitung 42 verbunden, so dass das Abgas stromab der Turbine 16 und der weiteren Turbine 26 mittels der Abgasleitung 42 gesammelt und zur Abgasnachbehandlungseinrichtung 50 geleitet wird. Darüber hinaus ist eine weitere Abgasleitung 39 vorgesehen, welche einerseits an einer Verbindungsstelle 37 mit der Abgasleitung 36 und andererseits an einer Verbindungsstelle 35 mit der Abgasleitung 42 fluidisch verbunden ist. In der Abgasleitung 39 ist eine der weiteren Turbine 26 zugeordnete Ventileinrichtung 33 angeordnet, welche als Wastegate (Umgehungsventil) zur Ladedruckregelung fungiert. Auch die Ventileinrichtung 33 beispielsweise zwischen einer die Abgasleitung 39 fluidisch versperrenden Schließstellung wenigstens einer die Abgasleitung 39 fluidisch zumindest bereichsweise freigebenden Freigabestellung verstellbar.
Es ist selbstredend, dass die Ventile, Regelventil und Rückschlagventil, regelbar sind oder selbstregelnd ausgestaltet sein können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009006359 A1 [0002]

Claims

Aufladeeinrichtung (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei Abgasturboladern (12, 24), welche jeweils eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbine (16, 26) und einen von der jeweiligen Turbine (16, 26) antreibbaren und von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft durchströmbaren Verdichter (20, 30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (10) zwischen zumindest vier Betriebszuständen schaltbar ist, wobei in einem ersten der Betriebzustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels eines der Verdichter (20, 30) verdichtbar ist, in einem zweiten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand seriell zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtbar ist, in einem dritten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand parallel zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtbar ist und in einem vierten der Betriebszustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des bezüglich des ersten Betriebszustands anderen der Verdichter (20, 30) verdichtbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den die Luft in dem ersten Betriebszustand verdichtenden Verdichter (20, 30) antreibende Turbine (16, 26) eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie aufweist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem zweiten Betriebszustand die Turbinen (16, 26) seriell zueinander geschaltet sind.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung des Abgases zuerst von dem Abgas durchströmbare Turbine (16, 26) eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie aufweist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem dritten Betriebszustand die Turbinen (16, 26) seriell zueinander geschaltet sind.
Aufladeeinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung des Abgases zuerst von dem Abgas durchströmbare Turbine (16, 26) eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Turbinengeometrie aufweist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (10) in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Lastanforderung zwischen den Betriebszuständen schaltbar ist.
Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (20, 30) eine hinsichtlich eines effektiven Strömungsquerschnitts angepasste Verdichtergeometrie aufweist.
Kraftwagen mit einer Aufladeeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fahrgastraum, insbesondere an einem Armaturenbrett, des Kraftwagens eine Betätigungseinrichtung angeordnet ist, mittels welchem die Aufladeeinrichtung (10) von einer Person zwischen den Betriebszuständen schaltbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung (10) einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest zwei Abgasturboladern (12, 24), welche jeweils eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare Turbine (16, 26) und einen von der jeweiligen Turbine (16, 26) antreibbaren und von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft durchströmbaren Verdichter (20, 30) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (10) zwischen zumindest vier Betriebszuständen geschaltet wird, wobei in einem ersten der Betriebzustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels eines der Verdichter (20, 30) verdichtet wird, in einem zweiten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand seriell zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtet wird, in einem dritten der Betriebszustände die Luft von beiden in diesem Betriebszustand parallel zueinander geschalteten Verdichtern (20, 30) verdichtet wird und in einem vierten der Betriebszustände die Luft zumindest im Wesentlichen lediglich mittels des bezüglich des ersten Betriebszustands anderen der Verdichter (20, 30) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladeeinrichtung (10) bei einem Übergang von niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine zu demgegenüber höheren Lasten und/oder Drehzahlen von dem ersten in den zweiten oder dritten Betriebszustand und bei einem weiteren Übergang zu demgegenüber noch höheren Lasten und/oder Drehzahlen von dem zweiten oder dritten und den vierten Betriebszustand geschaltet wird.