DE102011077147A1

DE102011077147A1 - Abgasführung für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011077147A1
Application number: DE102011077147A
Authority: DE
Inventors: Daniel Brand; Ennio Codan
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13

Abstract

Abgasführungssystem eines Verbrennungsmotors, umfassend einen mehrstufigen Abgasturbolader mit mindestens einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem Niederdruck-Abgasturbolader sowie mehrere Abgasrückführungsleitungen zum Rückführen von Abgasen über eine Pumpe zur Einlassseite des Verbrennungsmotors, wobei eine erste Rückführungsleitung (A) direkt vom Abgas-Receiver des Verbrennungsmotors zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, eine zweite Rückführungsleitung (B) vom Ausgang der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, eine dritte Rückführungsleitung (C) vom Ausgang der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, und eine vierte Rückführungsleitung (D) Umgebungsluft zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors führt, wobei die Rückführungsleitungen einzeln über Ventile (V1, V2, V3, V4) zu- und abschaltbar sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Sie betrifft ein Abgasführungssystem eines Verbrennungsmotors mit einem mehrstufigen Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Betreiben eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem mehrstufigen Abgasturbolader und einem derartigen Abgasführungssystem.
Stand der Technik
Die Abgasrezirkulation (AGR) ist eine bekannte Methode zur Reduktion der NOx-Emissionen bei Verbrennungsmotoren. Je grösser die Leistungsdichte eines Verbrennungsmotors, desto schwieriger ist die Sicherstellung einer ausreichenden Luftzufuhr im Teillastbetrieb. Dies verschärft sich bei Motoren mit Abgasrezirkulation, bei welchen ein Teil der Verbrennungsluft durch die Abgase des Motors ersetzt wird. Ein zu geringerer Luftanteil führ jedoch zu unerwünschter Russbildung und hoher thermischer Belastung des Motors. Es gilt demnach, Lösungen zur Sicherstellung einer ausreichenden Luftzufuhr für Verbrennungsmotoren im Teillastbetrieb zu finden.
Bekannte Massnahmen umfassen beispielsweise variable Ventilsteuerzeiten, Luft- oder Abgaswastegate, variable Turbinengeometrie an den Turbinen des Abgasturboladers, Stossaufladung, mehrstufige Aufladungen, zusätzlich elektrisch oder mechanisch angetriebene Abgasturbolader, zusätzliche elektrisch oder mechanisch angetriebene Kompressoren (Pumpen).
Abgasrezirkulation ist derzeit primär im Personen- und Lastkraftwagensegment verbreitet. Bei diesen relativ kleinen Motoren wird die sogenannte Hochdruck-Abgasrezirkulation ohne zusätzliche Pumpe im Rezirkulationspfad verwirklicht. Bei der Hochdruck-Abgasrezirkulation erfolgt die Abgasentnahme auf der Auslassseite des Verbrennungsmotors vor dem Turbinenaustritt (Druck höher als Umgebung) und die Abgaszufuhr auf der Einlassseite des Verbrennungsmotors nach dem Verdichteraustritt (Druck höher als Umgebung). Dadurch ist es schwierig, im höheren Lastbereich genügend Abgasrezirkulation zu gewährleisten. Um dies zu überwinden, sind derzeit Entwicklungen im Gange, Niederdruck-Abgasrezirkulation für den höheren Lastbereich einzusetzen. Hochdruck-Abgasrezirkulation wird weiterhin in Teillastbereich auch wegen der besseren Dynamik benutzt. Bei der Niederdruck-Abgasrezirkulation erfolgt die Abgasentnahme auf der Auslassseite des Verbrennungsmotors nach dem Turbinenaustritt (Druck etwa gleich Umgebung) und die Abgaszufuhr auf der Einlassseite des Verbrennungsmotors vor dem Verdichteraustritt (Druck etwa gleich Umgebung).
EP 1493907 beschreib einen entsprechenden Verbrennungsmotor, bei welchem unter Volllast die Niederdruck-Abgasrezirkulation eingesetzt wird, währen im Teillastbereich die Hochdruck-Abgasrezirkulation eingesetzt wird.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasführungssystem zu schaffen, welcher ohne Zusatzsteuerelemente zur Regelung des Ladedrucks im Teillastbereich auskommt.
Der der Erfindung zugrundeliegende Verbrennungsmotor ist typischerweise auf einen Hochdruck-Abgasrezirkulationsbetrieb ausgelegt. Das Abgas wird dabei über den Rückführungspfad A vor dem Turbineneintritt entnommen und über die Pumpe der Verbrennungsluft im Luft-Receiver zugeführt. Diese Art von Abgasrezirkulation kann grundsätzlich über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors eingesetzt werden. In diesem Fall fehlt allerdings die Möglichkeit, den Ladedruck im Teillastbereich zu regeln. Hierfür werden bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren beispielsweise Wastegate, variable Turbinengeometrien oder Registerschaltungen eingesetzt. Beim erfindungsgemässen Verbrennungsmotor wird diese Regelung nun mit den diversen Schaltungsvarianten im Abgasrezirkulations-Pfad vorgenommen. Hiernach ist die Funktion beschrieben:
Die Aufladung ist ausgelegt, um den für den Nennpunkt erforderlichen Ladedruck mit dem Luft- und Abgasmassenstrom des Motors ohne Abgasrezirkulation zu liefern (Rückführungsmodus A). Das Gebläse sorgt dafür, dass das Rezirkulationsabgas die Druckdifferenz von Abgas- zu Luftdruck überwindet. Die Expansionsenergie des Rezirkulationsabgases steht den Turbinen nicht zur Verfügung.
Wird das Rezirkulationsabgas im Betriebsmodus B nach der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers entnommen, kann es durch diese Turbine expandieren. Die Expansionsenergie ist somit erhöht. Beträgt z. B. der Rezirkulations-Massenstrom 20% des gesamten, wird die Leistung der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers in etwa um 40% erhöht: Bei konstanter Turbinenfläche variiert die Leistung in etwa quadratisch mit dem Massenstrom.
Wird das Rezirkulationsabgas zusätzlich durch die ND-Turbine expandiert (Modus C) erhöht sich die Leistung des Gesamtsystems ebenfalls um 40%.
Im Modus D ist das Leistungsangebot in etwa vergleichbar mit Modus C, nur der Ersatz von Rezirkulationsabgas durch reine Luft erhöht zusätzlich den Luftmassenstrom für den Motor. Diese Betriebsart bietet sich insbesondere bei besonders tiefer Motorlast an.
Das gleiche Prinzip wäre mit einer 1-stufigen Aufladung darstellbar. Der Modus B würde aber systembedingt entfallen. Der direkte Übergang von Modus A zu Modus C könnte dann einen zu grossen Sprung in Ladedruck bedeuten, welcher den optimalen Motorbetrieb und die Stabilität der Aufladung beeinträchtigen könnte.
In diesem Sinn erlaubt die erfindungsgemässe Abgasrückführung mit einem zusätzlichen Modus eine feinere Abstufung.
Erfindungsgemäss wird bei sehr grossen Verbrennungsmotoren, wie sie etwa auf Hochseeschiffen eingesetzt werden, die aus der EP1493907 bekannte Ansteuerung genau umgekehrt angewandt. Bei Volllast wird die Hochdruck-Abgasrezirkulation (Modus A) geschaltet, während im Teillastbereich die anderen Modi B, C oder D eingesetzt werden, um das Luftverhältnis zu erhöhen. Diese Steuerstrategie garantiert bei Grossmotoren, die in einem schmalen Drehzahlbereich betrieben werden, viel bessere Systemwirkungsgrade.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Abgasführungssystems eines Verbrennungsmotors schematisch dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemässen Abgasführungssystem,
2 eine Tabelle mit dem Ladedruck in Abhängigkeit der Motorlast für die unterschiedlichen Betriebsmodi der Abgasrezirkulation, und
3 das zur Tabelle nach 2 zugehörige Diagramm.
Weg zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader, welcher aus zwei Stufen zusammengesetzt ist. Die Hochdruckstufe mit Verdichter K1 und Turbine T1 und die Niederdruckstufe mit Verdichter K2 und Turbine T2.
Der Abgasturbolader umfasst ein Abgasrezirkulationssystem mit mehreren Rückführungsleitungen A bis 3. Ein erster Rezirkulationspfad A führt direkt vom Abgas-Receiver ER über einen ersten Kühler EGR-C1, eine Pumpe und einen zweiten Kühler EGR-C2 zum einlassseitigen Luft-Receiver des Verbrennungsmotors. Mittels Ventil V1 lässt sich dieser Rezirkulationspfad zu oder abschalten.
Ein zweiter Rezirkulationspfad B führt vom Ausgang der Hochdruckturbine über den ersten Kühler EGR-C1, die Pumpe und den zweiten Kühler EGR-C2 zum einlassseitigen Luft-Receiver des Verbrennungsmotors. Mittels Ventil V2 lässt sich dieser Rezirkulationspfad zu oder abschalten.
Ein dritter Rezirkulationspfad C führt vom Ausgang der Niederdruckturbine über den ersten Kühler EGR-C1, die Pumpe und den zweiten Kühler EGR-C2 zum einlassseitigen Luft-Receiver des Verbrennungsmotors. Mittels Ventil V3 lässt sich dieser Rezirkulationspfad zu oder abschalten.
Ein vierter Rezirkulationspfad schliesslich führt Umgebungsluft über die beiden Kühler und die Pumpe zum Luft-Receiver. Mittels Ventil V4 lässt sich auch dieser Rezirkulationspfad zu oder abschalten.
2 zeigt eine Tabelle mit den Ladedruckwerten der verschiedenen Betriebsmodi, A, B, C, D über der Motorlast. Modus A entspricht einer Abgasrezirkulation über die Rezirkulationspfad A, B einer Abgasrezirkulation über Rezirkulationspfad B, C einer Abgasrezirkulation über Rezirkulationspfad C, und D einer Luftzufuhr über Rezirkulationspfad D.
3 zeigt die beispielhafte Betriebsart des Verbrennungsmotors entlang der dicken Linie (mit „Komb.” bezeichnet). Dabei wird im unteren Lastbereich entweder Modus C oder D angewandt, mit steigender Last erfolgt die Umschaltung auf Modus B, durch Schliessen der entsprechenden Ventile V3 bzw. V4 und Öffnen des Ventils V2. Bei höchster Last erfolgt dann die Umschaltung auf Modus A, indem Ventil V2 geschlossen und Ventil V1 geöffnet wird.
Dank der erfindungsgemässen feineren Abstufung lässt sich der Verbrennungsmotor bei zunehmender Motorlast ohne grossen Sprung im Ladedruck betreiben, was zu einem verbesserten Motorenbetrieb beiträgt und die Stabilität der Aufladung positiv beeinflusst.
BEZUGSZEICHENLISTE

AR: Luft-Receiver
AC: Luft-Kühler
ER: Abgas-Receiver
EGR-C: Abgasrückführungs-Kühler
K: Verdichter
T: Turbine
V: Ventil
A, B, C, D: Rückführungsleitungen, Rezirkulationspfad

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

EP 1493907 [0005, 0013]

Claims

Abgasführungssystem eines Verbrennungsmotors, umfassend einen mehrstufigen Abgasturbolader mit mindestens einem Hochdruck-Abgasturbolader und einem Niederdruck-Abgasturbolader sowie mehrere Abgasrückführungsleitungen zum Rückführen von Abgasen über eine Pumpe zur Einlassseite des Verbrennungsmotors, wobei eine erste Rückführungsleitung (A) direkt vom Abgas-Receiver des Verbrennungsmotors zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, eine zweite Rückführungsleitung (B) vom Ausgang der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, eine dritte Rückführungsleitung (C) vom Ausgang der Turbine des Hochdruck-Abgasturboladers zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors geführt ist, und eine vierte Rückführungsleitung (D) Umgebungsluft zum Luft-Receiver des Verbrennungsmotors führt, wobei die Rückführungsleitungen einzeln über Ventile (V1, V2, V3, V4) zu- und abschaltbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einem Abgasführungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Rückführungsleitung (A) für hohen Lastbetrieb des Verbrennungsmotors, die zweite Rückführungsleitung (B) für mittleren Lastbetrieb des Verbrennungsmotors, und die dritte Rückführungsleitung (C) für tiefen Lastbetrieb des Verbrennungsmotors zugeschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben eines aufgeladenen Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, wobei die vierte Rückführungsleitung (D) Umgebungsluft über die Pumpe in den Luft-Receiver des Verbrennungsmotors befördert.