DE102012008107A1

DE102012008107A1 - Verfahren zum Betreiben einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012008107A1
Application number: DE102012008107A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: WO2013159925A1; DE102012008107B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine (10), wobei dem Abgas der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine (20) des Abgasturboladers (18) von einem Zusatzverdichter (22) verdichtetes Zusatzgas zugeführt wird, ist die Temperatur der die Abgasturbine (20) durchströmenden Fluidströmung gleich oder kleiner als die Temperatur des Abgases vor Zuführung des Zusatzgases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei dem Abgas der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine des Abgasturboladers von einem Zusatzverdichter verdichtetes Zusatzgas zugeführt wird. Die Erfindung betrifft weiter eine Brennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
In der DE 10 2005 044 738 A1 ist eine abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, die einen von der Brennkraftmaschine selbst oder mittels eines Elektromotors antreibbaren Zusatzverdichter aufweist, der über eine steuerbare Verbindungsleitung mit dem Abgassammler der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine verbunden ist, so dass dem Abgas der Brennkraftmaschine von dem Zusatzverdichter verdichtete Frischluft zugeführt werden kann. Die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine kann derart gesteuert werden, dass das Abgas Kraftstoff enthält, der in Folge der eingeleiteten zusätzlichen Frischluft im Abgassammler verbrennt, wodurch die Aufladung der Brennkraftmaschine mittels des Abgasturboladers erhöht wird und das sogenannte „Turboloch” (unzureichende Leistungszunahme bei Leistungsanforderung aus niedriger Last oder geringer Drehzahl heraus) vermieden werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechend dem Verfahren arbeitende Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem bzw. der bei Beibehaltung geringer Schadstoffanteile des Abgases ein gutes Ansprechverhalten des Turboladers sowie eine gute Anpassbarkeit des Turboladers an Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine erzielbar sind.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Der Anspruch 9 ist auf eine Brennkraftmaschine zur Lösung der Erfindungsaufgabe gerichtet.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine wird mit den Merkmalen der Ansprüche 10 bis 17 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. Die 1 bis 4 stellen Prinzipschaltbilder von Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dar.
Gemäß 1 weist eine im dargestellten Beispiel vierzylindrige Brennkraftmaschine 10 ein Saugrohr 12 und einen Abgassammler 14 auf. Dem Saugrohr 12 wird Frischluft durch den Turboverdichter (Laderturbine) 16 eines Abgasturboladers 18 zugeführt. Durch den Abgassammler 14 strömendes Abgas durchströmt die Abgasturbine 20 des Abgasturboladers, bevor es in die Umgebung austritt. In an sich bekannter Weise wird die Ladeturbine 16 von der Abgasturbine 20 angetrieben.
Ein Zusatzverdichter 22, der im dargestellten Beispiel Frischluft ansaugt, ist mit dem Abgassammler 14 strömungsoberhalb der Abgasturbine 20 über eine Verbindungsleitung 24 verbunden.
Ein Antrieb 26 des Zusatzverdichters 22 kann von der nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 10 aus erfolgen oder mittels eines eigenen Antriebsmotors, beispielsweise eines Elektromotors.
Mittels einer Absperrvorrichtung 28, im dargestellten Beispiel ein Rückschlagventil, kann gewährleistet werden, dass durch die Verbindungsleitung 24 Gas nur von dem Zusatzverdichter 22 in Richtung zum Abgassammler 14 strömt und nicht umgekehrt.
Zur Steuerung des Antriebs 26 des Zusatzverdichters 22 sowie gegebenenfalls der Absperrvorrichtung 28 und gegebenenfalls weiterer vorhandener Steuerventile ist eine nicht dargestellte elektronische Steuervorrichtung vorhanden, die in an sich bekannter Weise über Sensoren zur Steuerung erforderliche Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfasst und anhand von in ihr abgelegten Algorithmen in Steuersignale für die steuerbaren Einheiten umwandelt. Eine solche Steuervorrichtung ist auch in den nachfolgenden Figuren nicht dargestellt.
Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
Unmittelbar nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine, oder auch wenn mit niedriger Last oder niedriger Drehzahl gefahren wird, ist die Abgasströmung bzw. der Massenstrom durch den Abgassammler 14 gering, so dass die dem Saugrohr 12 zugeführte Frischluft in dem Turboverdichter 16 kaum verdichtet wird. Wenn aus einem solchen Betriebszustand heraus die Leistung der Brennkraftmaschine 10 plötzlich erhöht werden soll, tritt der Zusatzverdichter 22 in Funktion und fördert verdichtete Frischluft strömungsoberhalb der Abgasturbine 20 in den Abgassammler 14. Dadurch erhöht sich der die Abgasturbine 20 durchströmende Massenstrom, so dass die Abgasturbine 20 die Laderturbine 16 mit erhöhter Leistung antreibt und der Brennkraftmaschine 10 verdichtete Frischluft zugeführt wird, die zu einer raschen Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine führt. Somit wird das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 10 auf eine Leistungsanforderung verbessert und ein „Turboloch” vermieden. Dabei muss in keiner Weise in die Kraftstoffzufuhr zu den Brennräumen der Brennkraftmaschine (z. B. Direkteinspritzung oder Saugrohreinspritzung von gasförmigem oder flüssigem Kraftstoff) eingegriffen werden, so dass die Brennkraftmaschine in an die jeweiligen Bedingungen optimaler Weise betrieben werden kann.
Der Betrieb des Zusatzverdichters 22 kann durch entsprechende Steuerung seines Antriebs 26 gesteuert werden, beispielsweise kann der Zusatzverdichter 22 über eine Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden sein oder kann sein eigener Antriebsmotor entsprechend den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine sowie der Stellung eines nicht dargestellten Gaspedals zweckentsprechend gesteuert werden. Der Zusatzverdichter 22 kann auch permanent laufen und seine Förderleistung kann über eine Bypassleistung oder Verstellung von die Förderleistung des Zusatzverdichters bestimmenden Ventilen verändert werden.
Sobald die Brennkraftmaschine mit hohem Fluiddurchsatz, d. h. gesteigerter Leistung, läuft, reicht der Abgasstrom durch den Abgassammler 14 aus, um die Abgasturbine 20 mit einer Leistung anzutreiben, die dafür ausreicht, dass der Turboverdichter 16 der Brennkraftmaschine 10 verdichtete Frischluft zuführt. Der Zusatzverdichter 22 kann dann weniger Frischluft fördern oder ganz abgeschaltet werden, wobei die Absperrvorrichtung 28 gewährleistet, dass kein Abgas aus dem Abgassammler 14 durch den Zusatzverdichter 22 hindurch ins Freie gelangt.
Die Brennkraftmaschine 10 kann bei Ausbildung als Otto- oder Gasmotor ständig mit einem Kraftstoffluftverhältnis betrieben werden, so dass eine optimale Verbrennung und schadstoffarmes Abgas gewährleistet wird. Die Brennkraftmaschine kann auch ein Dieselmotor sein.
Die Absperrvorrichtung 28 kann in den Zusatzverdichter 22 integriert sein, der beispielsweise als ein Kolbenverdichter ausgebildet ist, wobei von einem Kolben in einer Arbeitskammer verdichtete Luft nur dann von dem Kolbenverdichter abgegeben wird, wenn ein oder mehrere in einem Auslass der Verdichterkammer angeordnete Rückschlagventile öffnen. Dies geschieht nur dann, wenn der Druck am Auslass des Zusatzverdichters 22 kleiner ist als der Druck in der Verdichterkammer. Ein solcher als Hubkolbenverdichter ausgebildeter Zusatzverdichter ist beispielsweise in der EP 1 548 280 A1 beschrieben.
Mit der Anordnung gemäß 1 ist es möglich, die Brennkraftmaschine 10 mit fettem Gemisch zu betreiben und dem Abgas mittels geeigneter Steuerung des Zusatzverdichters 22 genau so viel Frischluft zuzuführen, dass das mit der Frischluft vermengte Abgas eine Zusammensetzung hat, die es hätte, wenn die Brennkraftmaschine 10 mit stöchiometrischen Luftverhältnis (λ = 1) betrieben wird. Auf diese Weise kann ein Abgaskatalysator, z. B. ein Dreiwegkatalysator, ständig seine volle Wirkung entfalten. Zur Steuerung des Zusatzverdichters 22 kann eine Lambda-Sonde verwendet werden, die vor oder hinter der Abgasturbine 20 und strömungsoberhalb des Katalysators angeordnet ist.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der der 1 dadurch, dass der Zusatzverdichter 22 über eine weitere Leitung 30 mit dem Saugrohr 12 strömungsabwärts des Turboverdichters 16 verbunden ist. In einer Abzweigung der weiteren Leitung 30 von der Verbindungsleitung 24 ist ein Stellventil 32 angeordnet, mit dem die von dem Zusatzverdichter 22 geförderte verdichtete Frischluft hinsichtlich ihres Mengenverhältnisses auf den Abgassammler 14 und das Saugrohr 12 verteilt werden kann. Auf diese Weise kann ein Teil der verdichteten Frischluft zur Unterstützung des Antriebs der Abgasturbine 20 benutzt werden und ein anderer Teil kann unmittelbar dem Saugrohr 12 zugeführt werden. Auf diese Weise kann das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine auf Lastwechsel weiter verbessert werden. Vorteilhafterweise wird zwischen der Mündung der weiteren Leitung 30 in das Saugrohr 12 und dem Auslass des Turboverdichters 16 ein Rückschlagventil (nicht dargestellt) angeordnet, mit dem verhindert werden kann, dass durch den Turboverdichter 16 eine Rückströmung einsetzt, wenn der Druck im Saugrohr 12 höher ist als der Umgebungsdruck.
Weiter ist in 2 eine Abgasrückführleitung 34 eingezeichnet, die den Abgassammler 14 mit dem Saugrohr 12 verbindet und in der ein Abgasrückführsteuerventil 36 angeordnet ist, das zur Steuerung der Abgasrückführung einstellbar ist. Durch Einstellen des Unterschiedes zwischen dem Druck im Abgassammler 14 und dem Druck im Saugrohr 12 mittels des Zusatzverdichters 22 und/oder des Stellventils 32 kann die Menge des rückgeführten Abgases eingestellt werden. Zur Steuerung der Abgasrückführung kann es vorteilhaft sein, den Zusatzverdichter 22 auch in Betriebsbereichen zu betreiben, in denen die Fluidströmung durch die Brennkraftmaschine größer ist als ein Schwellwert, oberhalb dessen der Zusatzverdichter 22 abgeschaltet werden kann, wenn er nur zur Vermeidung des Turboloches eingesetzt wird.
3 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, die sich von der der 2 dadurch unterscheidet, dass die Abgasrückführleitung 34 fehlt und der Auslass der Abgasturbine 20 über eine Zusatzleitung 38 mit dem Einlass des Zusatzverdichters 22 verbunden ist. In der Mündung der Zusatzleitung 38 in den Einlass des Zusatzverdichters 22 ist ein weiteres Stellventil 40 angeordnet, mit dem das Verhältnis zwischen der dem Zusatzverdichter 22 zugeführten Frischluft und dem dem Zusatzverdichter 22 zugeführten Abgas einstellbar ist. Zwischen der Abzweigung der Zusatzleitung 38 aus einer Auslassleitung 42 der Abgasturbine 20 und der Abgasturbine 20 ist ein Katalysator 44 angeordnet.
Mit der Anordnung gemäß 3 ist es möglich, mittels des Zusatzverdichters 22 dem Abgassammler 14 und/oder dem Saugrohr 12 ausschließlich Abgas zuzuführen, so dass die Abgaszusammensetzung oder das Kraftstoff/Luftverhältnis der der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Ladung durch den Betrieb des Zusatzverdichters 22 nicht beeinflusst wird und der Katalysator 44 voll wirksam bleibt, wenn die Brennkraftmaschine 10 beispielsweise ein mit λ = 1 betriebener Ottomotor ist. Es versteht sich, dass dann die Verbindung des Einlasses des Zusatzverdichters 22 mit einem Frischlufteinlass vollständig entfallen kann und das Stellventil 40 lediglich derart ausgebildet sein kann, dass es den Durchströmquerschnitt der Zusatzleitung 38 steuert. Es ist vorteilhaft, das Abgas strömungsabwärts des Katalysators 44 zu entnehmen, da dieses Abgas relativ kühl ist und insbesondere im Volllastbetrieb zur Kühlung des Abgases im Abgassammler 14 verwendet werden kann und/oder die Temperatur der der Brennkraftmaschine 10 zugehörigen Frischladung nicht unzulässig erhöht. Der Zusatzverdichter kann bei dieser Ausührungsform nicht nur zur Beseitigung des Turboloches, sondern zusätzlich oder ausschließlich zur Abgasrückführung verwendet werden, indem er das der Auslassleitung 42 entnommene Abgas auf einen über dem Saugrohrdruck liegenden Druck verdichtet und dem Saugrohr 12 zuführt.
Die Ausführungsform der 4 unterscheidet sich von der der 2 dadurch, dass zur Umgehung des Turboverdichters 16 eine Bypass-Leitung 46 vorhanden ist, deren Durchströmquerschnitt mittels eines Bypass-Ventils 48 einstellbar ist. Mit der Anordnung gemäß 4 wird eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen, den Druck im Saugrohr 12 einzustellen, wenn er beispielsweise infolge des Turboverdichters 16 in unerwünschter Weise hoch ansteigt oder z. B. aus Gründen der Abgasrückführung abgesenkt werden soll. Die Anordnung gemäß 4 kann in Kombination mit den Anordnungen der anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Durch die mit der Erfindung mögliche Absenkung der Abgastemperatur, beispielsweise dadurch dass der Zusatzverdichter 22, wie anhand der 3 erläutert, ausschließlich mit Abgas betrieben wird, kann eine Volllastanfettung vermieden werden, wie sie zur Schonung der Abgasturbine 20 herkömmlicherweise erfolgt.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind in unterschiedlicher Weise miteinander kombinierbar und ermöglichen einen bedarfsgerechten Einsatz des Zusatzverdichters 22.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12: Saugrohr
14: Abgassammler
16: Turboverdichter
18: Abgasturbolader
20: Abgasturbine
22: Zusatzverdichter
24: Verbindungsleitung
26: Antrieb
28: Absperrvorrichtung
30: Leitung
32: Stellventil
34: Abgasrückführleitung
36: Abgasrückführsteuerventil
38: Zusatzleitung
40: Stellventil
42: Auslassleitung
44: Katalysator
46: Bypassleitung
48: Bypassventil

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 102005044738 A1 [0002]
EP 1548280 A1 [0017]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine (10), wobei dem Abgas der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine (20) des Abgasturboladers (18) von einem Zusatzverdichter (22) verdichtetes Zusatzgas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der die Abgasturbine (20) durchströmenden Fluidströmung gleich oder kleiner als die Temperatur des Abgases vor Zuführung des Zusatzgases ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zusatzgas Frischluft ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Fluidströmung zwischen dem Zusatzverdichter (22) und dem Abgas nur erfolgt, wenn der Druck der von dem Zusatzverdichter verdichteten Frischluft größer ist als der Druck des Abgases.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein steuerbarer Anteil des vom Zusatzverdichter (22) verdichteten Zusatzgases einem Saugrohr (12) der Brennkraftmaschine (10) strömungsunterhalb des Turboverdichters (16) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Unterschied zwischen dem Druck des Abgases strömungsoberhalb der Abgasturbine (20) und dem Druck im Saugrohr (12) der Brennkraftmaschine strömungsunterhalb des Turboverdichters (16) durch Einstellen der Förderung des Zusatzverdichters (22) eingesellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Unterschied zwischen dem Druck des Abgases strömungsoberhalb der Abgasturbine (20) und dem Druck im Saugrohr (12) strömungsunterhalb des Turboverdichters (16) durch Einstellen einer vom Auslass des Turboverdichters (16) zu dessen Einlass strömenden Umluftströmung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennkraftmaschine (10) mit fettem Gemisch betrieben wird und dem Abgas vom Zusatzverdichter (22) geförderte Frischluft in einer Menge derart zugeführt wird, dass die Zusammensetzung des mit dem Zusatzgas vermischten Abgases dem Abgas entspricht, das in der mit einem Gemisch von Lambda = 1 betriebenen Brennkraftmaschine entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Zusatzverdichter (22) strömungsabwärts der Abgasturbine (20) entnommenes Abgas zugeführt wird und das vom Zusatzverdichter verdichtete Abgas dem Abgas der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine zugeleitet wird.
Brennkraftmaschine mit einer von einen Abgassammler (14) durchströmenden Abgas der Brennkraftmaschine (10) angetriebenen Abgasturbine (20), die einen Turboverdichter (16) antreibt, mit dem einem Saugrohr (12) der Brennkraftmaschine verdichtete Frischluft zugeführt wird, und einem Zusatzverdichter (22) zum Verdichten von Zusatzgas, das dem Abgassammler (14) der Brennkraftmaschine strömungsoberhalb der Abgasturbine (20) durch eine Verbindungsleitung (24) hindurch zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung eine steuerbare Absperrvorrichtung (28) angeordnet ist, die nur öffnet, wenn der Druck an einem Auslass des Zusatzverdichters (22) den Druck in der Abgasleitung (14) übersteigt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei der Zusatzverdichter (22) ein Kolbenverdichter mit wenigstens einer an einen hin- und her beweglichen Kolben grenzenden Verdichterkammer ist, wobei in einem Auslass in die Verdichterkammer ein Rückschlagventil angeordnet ist, das nur öffnet, wenn der Druck in der Verdichterkammer größer ist als der Umgebungsdruck.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Zusatzverdichter (22) von der Brennkraftmaschine antreibbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Zusatzverdichter (22) einen eigenen Antriebsmotor aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Zusatzverdichter (22) abgeschaltet wird, wenn der Fluiddurchsatz durch die Brennkraftmaschine (10) einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das durch den Abgassammler (14) strömende Abgas, dem das Zusatzgas zugeführt wird, frei von brennbaren gasförmigen Bestandteilen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei von der Verbindungsleitung (24) eine weitere Leitung (30) abgeht und strömungsabwärts des Turboverdichters (16) in das Saugrohr (12) mündet und ein Stellventil (32) vorhanden ist, mit dem die Anteile des vom Zusatzverdichter (22) geförderten Zusatzgases, die dem Abgassammler (14) und dem Saugrohr (12) zugeführt werden, einstellbar sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei ein Einlass des Zusatzverdichters (22) über eine Zusatzleitung (38) strömungsabwärts der Abgasturbine (20) mit dieser verbunden ist und in der Zusatzleitung ein deren Durchströmquerschnitt steuerndes Stellventil (22) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei ein Einlass des Turboverdichters (16) mit dessen Auslass über eine Bypassleitung (46) verbunden ist, deren Durchströmquerschnitt mit einem Bypassventil (48) steuerbar ist.