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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine.
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Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen mit Verbrennungsmotor, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, aufzuladen, um die spezifische Leistung zu erhöhen und den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Weit verbreitet ist eine Aufladung von Verbrennungsmotoren mittels eines oder mehrerer Abgasturbolader. Diese umfassen eine Turbine, die von einem von dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas angeströmt und dadurch angetrieben wird. Die Turbine treibt über eine Welle einen Verdichter an, der in einen Frischgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und das Frischgas verdichtet. Durch die Aufladung kann die Menge des in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebrachten Frischgases und damit die Menge des in einem Arbeitsspiel in dem Brennraum verbrennbaren Kraftstoffs erhöht werden.
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Die Verdichter von Abgasturboladern sind regelmäßig als Strömungsverdichter ausgebildet, wobei fast ausschließlich zentrifugale Laufräder zum Einsatz kommen, die axial angeströmt und radial abgeströmt werden.
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Das Kennfeld eines Strömungsverdichters weist Bereiche auf, in denen ein stabiler Betrieb physikalisch nicht möglich ist. Zum einen wird das Verdichterkennfeld durch die sogenannte Pumpgrenze begrenzt, die den Übergang vom stabilen zum instabilen Betriebsbereich kennzeichnet. Dabei bedeutet instabil, dass ausgelöst durch einen Strömungsabriss - im Allgemeinen am Laufrad - die Förderung des Gasmassenstroms periodisch unterbrochen und wieder aufgebaut wird. Die zweite Grenze im Verdichterkennfeld ist die sogenannte Stopfgrenze, die dem maximalen Volumenstrom des Gases durch den Verdichter entspricht. Dieser wird in der Regel durch den Querschnitt am Verdichtereintritt begrenzt. Erreicht die Luft beim Eintritt in das Laufrad Schallgeschwindigkeit, so ist in der Regel keine weitere Erhöhung des Volumenstroms mehr möglich.
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Als sogenannte kennfeldstabilisierende Maßnahme (KSM) ist es bekannt, in Verdichtern einen sogenannten Rezirkulationskanal vorzusehen (vgl. beispielsweise
DE 42 13 047 A1 ). Hierbei handelt es sich um ein den Hauptströmungskanal, innerhalb dessen das Laufrad des Verdichters angeordnet ist, regelmäßig ringförmig umgebenen Kanal, der sowohl vor als auch im Bereich des Laufrads mit dem Hauptströmungskanal verbunden ist. Mittels eines Rezirkulationskanals kann das Kennfeld des Verdichters verbreitert werden. Bei einem relativ geringen Volumenstrom des Gases strömt ein Teil des Gases in Folge eines sich einstellenden Überdrucks in der im Bereich des Laufrads gelegenen Mündung des Rezirkulationskanals im Vergleich zu der (bezüglich der Hauptströmungsrichtung) stromauf davon liegenden Mündung durch den Rezirkulationskanal zurück. Das dort in der Regel radial in den Hauptströmungskanal eintretende Gas führt zu einer Einschnürung der Hauptströmung mit einer dadurch bedingten Beschleunigung. Dadurch wird ein Abreißen der Strömung verhindert und somit die Pumpgrenze hin zu kleineren Volumenströmen verschoben. Eine Verschiebung der Stopfgrenze hin zu höheren Werten wird durch die durch den Rezirkulationskanal bewirkte Vergrößerung des Gesamt-Strömungsquerschnitts bewirkt. Das den Verdichter durchströmende Gas verteilt sich somit auf eine größere Strömungsfläche, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit reduziert. Bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Stopfgrenze entspricht die Strömungsgeschwindigkeit des in dem Rezirkulationskanal strömenden Gases derjenigen des in dem Hauptströmungskanal strömenden Gases. Im Gegensatz dazu sind die Strömungsrichtungen der Gasströmungen bei einem Betrieb des Verdichters in der Nähe der Pumpgrenze entgegengesetzt gerichtet. Dabei ist der Übergang gleitend, wobei ein relativ großer Bereich im Verdichterkennfeld dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druck im Bereich der beiden Mündungen des Rezirkulationskanal mehr oder weniger gleich ist. Dann findet entsprechend auch keine relevante Strömung durch den Rezirkulationskanal statt; diese ist quasi inaktiv.
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Insbesondere bei nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen ist weiterhin bekannt, einen Teil des aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases in den Frischgasstrang zurückzuführen („Abgasrückführung“), vgl. beispielsweise
DE 10 2010 020 709 A1 . Die Anwesenheit des nicht brennbaren Abgases in den Brennräumen des Verbrennungsmotors soll die Spitzentemperaturen und damit die Erzeugung von Stickoxiden bei der Verbrennung reduzieren. Neben der sogenannten HochdruckAbgasrückführung (HD-AGR), bei der das Abgas direkt hinter dem Verbrennungsmotor abgezweigt und direkt vor dem Verbrennungsmotor in den Frischgasstrang eingeleitet wird, ist auch die sogenannte Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) bekannt, bei der das Abgas hinter der Turbine des (letzten) Abgasturboladers (bei Diesel-Motoren auch hinter dem Partikelfilter) abgezweigt und vor dem Verdichter des (ersten) Abgasturboladers wieder in den Frischgasstrang eingeleitet wird. Dem Verdichter wird somit bereits ein mit dem rückgeführten Abgas vermischtes Frischgas zugeführt. Vorteile der ND-AGR gegenüber der HD-AGR sind die bessere Gleichverteilung des rückgeführten Abgases in dem Frischgas und das weniger nachteilige Druckgefälle. Ein Nachteil ist dagegen die höhere Temperaturbelastung des Verdichters.
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Aus der
DE 42 13 047 A1 ist ein Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem der Verdichter einen Hauptströmungskanal und mehrere Nebenströmungskanäle, welche in den Hauptströmungskanal münden, aufweist. Dabei können durch die Nebenströmungskanäle die Strömungsbedingungen an dem Verdichter derart angepasst werden, dass das Ansprechverhalten sowie der Betriebsbereich des Abgasturboladers erweitert werden können.
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Die
DE 10 2008 035 553 A1 beschreibt einen mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, welche eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors verbindet. Dabei sind in der Abgasrückführung mehrere Ventile angeordnet, um die Strömungsbedingungen beim Anströmen des Verdichters des Abgasturboladers zu variieren.
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Bei den bekannten aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird eine hohe Rückführungsrate bei einer ND-AGR im Nennleistungsbereich des Verbrennungsmotors oftmals durch das Verdichterkennfeld und insbesondere die Stopfgrenze des Verdichters beschränkt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Brennkraftmaschine anzugeben, die sich insbesondere durch die Möglichkeit einer relativ hohen Abgasrückführungsrate mittels einer Niederdruck-Abgasrückführung im Nennleistungsbereich eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Ein Verdichter für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstand der nebengeordneten Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentsprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Regelung einer Niederdruck-Abgasrückführung und insbesondere die maximal möglich Rückführrate in den verschiedenen Betriebsbereichen eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine dadurch zu verbessern, dass das Frischgas und das rückgeführte Abgas erst in dem Laufrad des Verdichters vermischt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, das rückgeführte Abgas unabhängig von dem Strom des Frischgases und insbesondere unabhängig von den Einschränkungen des Verdichterkennfelds, die hauptsächlich aus der Strömung des Frischgases beim Eintritt in den Verdichter resultieren, zu regeln. Dadurch kann die Rückführrate im wesentlichen ohne die Beschränkungen durch das Kennfeld des Verdichters an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden.
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Im Ergebnis kann dadurch in einzelnen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors ein höherer Anteil von Abgas über die Abgasrückführung rückgeführt bzw. in den Frischgasstrang eingebracht werden, als dies bei gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen möglich ist. Hinzu kommt, dass die Strömungen des Frischgases und des rückgeführten Abgases infolge ihrer Trennung bis zu dem Laufrad gut und einfach (getrennt) regelbar sind. Weiterhin wird durch die Trennung der Strömungen vermieden, dass durch den Eintritt des rückgeführten Abgases in die Hauptströmung vor dem Verdichter Verwirbelungen entstehen, die den Durchsatz durch den Verdichter negativ beeinflussen können.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst demnach (zumindest) einen Verbrennungsmotor, einen Abgasstrang über den Abgas von dem Verbrennungsmotor abgeführt wird, einen Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zugeführt wird und in den (mindestens) ein Verdichter integriert ist, der einen Hauptströmungskanal und mindestens einen Rezirkulationskanal aufweist, wobei der Rezirkulationskanal (mindestens) eine in den Hauptströmungskanal mündende erste Kanalöffnung und (mindestens) eine in Hauptströmungsrichtung hinter oder stromab der ersten Kanalöffnung in den Hauptströmungskanal mündende zweite Kanalöffnung aufweist. Gekennzeichnet ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine dadurch, dass die Abgasrückführung in den Rezirkulationskanal und/oder in Hauptströmungsrichtung (Richtung der Strömung des Frischgases durch den Hauptströmungskanal) hinter der ersten Kanalöffnung des Rezirkulationskanals in den Hauptströmungskanal mündet, wodurch die erfindungsgemäße Trennung der Strömungen von Frischgas und rückgeführtem Abgas bis zu dem Laufrad erreicht wird.
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Ein erfindungsgemäßer Verdichter für eine solche Brennkraftmaschine weist ein Gehäuse, das einen Hauptströmungskanal ausbildet, ein innerhalb des Hauptströmungskanals drehend gelagertes Laufrad, einen vorzugsweise von dem Gehäuse ausgebildeten Rezirkulationskanal mit einer in den Hauptströmungskanal mündenden ersten Kanalöffnung und einer in Hauptströmungsrichtung hinter der ersten Kanalöffnung in den Hauptströmungskanal mündenden zweiten Kanalöffnung sowie einen Mündungskanal zum Anschluss an eine Abgasrückführung der Brennkraftmaschine auf, wobei der Mündungskanal in den Rezirkulationskanal und/oder in Hauptströmungsrichtung hinter der ersten Übertrittsöffnung in den Hauptströmungskanal mündet.
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Wie bereits ausgeführt wurde, eignet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine bzw. eines Verdichters besonders zur Verbesserung der Rückführungsrate einer Niederruckabgasrückführung, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen ist, dass der Verdichter Teil eines Abgasturboladers ist, wobei der Abgasturbolader weiterhin eine in den Abgasstrang integrierte Turbine umfasst und die Abgasrückführung stromab der Turbine aus dem Abgasstrang abzweigt.
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Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine eine Regeleinrichtung vorgesehen, über die sowohl die Menge des rückgeführten Abgases als auch die Menge des durch die erste Kanalöffnung strömenden Gases regelbar ist.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass mittels einer Regeleinrichtung sowohl die Menge des rückgeführten Abgases als auch die Menge des durch den Rezirkulationskanal strömenden Gases geregelt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Regeleinrichtung mindestens eine Blende, insbesondere eine Loch- oder Schlitzblende, die mittels einer Verstelleinrichtung verstellbar ist. Dabei kann die Blende insbesondere als (mindestens) eine, eine oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisende Scheibe ausgebildet sein, die mittels der Verstelleinrichtung bewegt (insbesondere rotiert) wird, wodurch diese Öffnungsquerschnitte des Rezirkulationskanals und/oder eines Mündungskanals der Abgasrückführung (mehr oder weniger) verschließt bzw. freigibt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann auf eine zusätzliche Regeleinrichtung, wie sie bei gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen in die Abgasrückführung integriert sind, verzichtet werden.
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Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Regeleinrichtung(en) und insbesondere die Blende stufenlos verstellbar ist/sind.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorsehen, dass die Abgasrückführung bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors im sogenannten „Low-End-Torque“-Bereich geschlossen und im Teillast- sowie im Nennleistungsbereich des Verbrennungsmotors geöffnet ist. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors im Teillastbereich eine Abgasrückführrate von bis zu und vorzugsweise von ca. 20% realisiert wird. Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass im Nennleistungsbereich eine Abgasrückführrate zwischen 5% und 10%, insbesondere von ca. 7%, vorgesehen wird, wodurch eine relativ geringe thermische Belastung des Verbrennungsmotors infolge einer geringeren Abgastemperatur erreicht und eine geringere Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Brennräumen des Verbrennungsmotors möglich gemacht wird. Dies kann zu einem geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch führen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung;
- 2: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter in einer vereinfachten Darstellung;
- 3: drei Betriebsbereiche in einem Motorkennfeld einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine; und
- 4: einen Vergleich der Verdichterkennfelder eines gattungsgemäßen und eines erfindungsgemäßen Verdichters mit Darstellung der drei Betriebsbereiche gemäß der 3.
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In der 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dargestellt. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der hier beispielhaft als nach dem Diesel-Prinzip arbeitender Hubkolbenmotor mit vier Zylindern dargestellt ist. Der Verbrennungsmotor 10 wird über einen Frischgasstrang 12 mit Frischgas versorgt, das in in den Zylindern des Verbrennungsmotors 10 ausgebildeten Brennräumen zusammen mit z.B. direkt eingespritztem Kraftstoff verbrannt wird. Bei dem Frischgas handelt es sich um aus der Umgebung angesaugte und mittels eines Luftfilters 14 gereinigte Luft oder um eine Mischung aus dieser Luft mit rückgeführtem Abgas. Das Frischgas strömt dann durch einen Verdichter 16, der Teil eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine ist. In dem Verdichter 16 wird das Frischgas verdichtet, d.h. auf einen höheren Druck gebracht, was zusätzlich mit einer Temperaturerhöhung verbunden ist. Da eine solche Temperaturerhöhung der durch die Aufladung grundsätzlich angestrebten Verbesserung der Füllung der Brennräume entgegenwirkt, ist vorgesehen, das aus dem Verdichter 16 austretende Frischgas über einen Ladeluftkühler 18 zu führen, wo es gekühlt wird. Danach tritt das Frischgas in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 ein.
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Der Abgasturbolader umfasst noch eine Turbine 20, die in einen Abgasstrang 22 der Brennkraftmaschine integriert ist. Über den Abgasstrang 22 wird das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen erzeugte Abgas abgeführt, wobei dieses über die Turbine 20 geführt wird. Dies führt zu einer Entspannung und Temperatursenkung des Abgases bzw. zu einer Umsetzung eines Teils der Abgasenthalpie in mechanische Energie, die von der Turbine 20 über eine Welle 24 auf ein Laufrad 26 des Verdichters 16 übertragen wird.
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Stromab der Turbine 20 durchströmt das Abgas zur Abscheidung von Partikeln einen Partikelfilter 28 und wird dann, zumindest teilweise in die Umgebung abgeführt.
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Die Brennkraftmaschine umfasst zudem noch zwei Abgasrückführungen. Eine davon ist als Hochdruckabgasrückführung 30 ausgebildet. Diese zweigt stromauf der Turbine 20 des Abgasturboladers aus dem Abgasstrang 22 ab und mündet stromab des Ladeluftkühlers 18 in den Frischgasstrang 12. In die Hochdruckabgasrückführung 30 ist auch ein Abgasrückführungskühler 32 integriert, mittels dessen das rückgeführte Abgas gekühlt wird. Die Menge des über die Hochdruckabgasrückführung 30 rückgeführten Abgases ist mittels einer Regeleinrichtung 34 steuerbar.
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Die zweite Abgasrückführung ist als Niederdruckabgasrückführung 36 ausgeführt. Diese zweigt stromab der Turbine 20 und des Partikelfilters 28 aus dem Abgasstrang 22 ab und mündet direkt in den Verdichter 16 im Bereich des Laufrads 26. Auch die Niederdruckabgasrückführung 36 ist mit einem Abgasrückführungskühler 38 zum Kühlen des rückgeführten Abgases versehen.
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Die 2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 16 für den Einsatz in beispielsweise einer Brennkraftmaschine gemäß der 1.
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Der Verdichter 16 umfasst ein Gehäuse 40, das einen Hauptströmungskanal 42 ausbildet. In einem Abschnitt des Hauptströmungskanals 42 ist das Laufrad 26 angeordnet, das mittels der (in der 2 nicht dargestellten) Welle 24 von der Turbine 20 rotierend angetrieben wird. Der Verdichter 16 ist als Radialverdichter ausgebildet, d.h. das Laufrad 26 wird von dem Frischgas axial über einen Eintrittsabschnitt des Hauptströmungskanals angeströmt und radial über einen ringförmig das Laufrad umgebenden Austrittsabschnitt abgeströmt.
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Das Gehäuse 40 bildet zudem noch einen Rezirkulationskanal 44 aus, der den Hauptströmungskanal 42 in einem Abschnitt ringförmig umgibt. Der Rezirkulationskanal 44 mündet an einer oder mehreren Stellen (dargestellt sind zwei) in den das Laufrad 26 aufnehmenden Abschnitt des Hauptströmungskanal 42 („zweite Kanalöffnungen“ 52) sowie - stromauf davon (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases in dem Hauptströmungskanal 42) - an einer oder mehreren Stellen (dargestellt ist eine; „erste Kanalöffnung“ 54) in den Eintrittsabschnitt des Hauptströmungskanals 42. Der Rezirkulationskanal 44 ermöglicht eine Aufweitung des Verdichterkennfelds im Vergleich zu einem (ansonsten identischen) Verdichter ohne Rezirkulationskanal 44, indem bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine im Low-End-Torque Bereich, wenn der Verdichter in der Nähe seiner Pumpgrenze betrieben wird, infolge der sich einstellenden Druckverhältnisse ein Teil des in das Laufrad 26 eintretenden Frischgases über den Rezirkulationskanal 44 zurückströmt und im Eintrittsabschnitt wieder in den Hauptströmungskanal 42 eintritt und dadurch eine Einschnürung mit einer damit einhergehenden Beschleunigung der Hauptströmung bewirkt. Im Nennleistungsbereich des Verbrennungsmotors, wenn diesem somit vergleichsweise viel Frischgas zugeführt werden soll, wird ein Erreichen der Stopfgrenze dadurch verschoben oder vermieden, dass das Frischgas das Laufrad 26 nicht nur über den Hauptströmungskanal 42 sondern auch über den Rezirkulationskanal 44 anströmen kann.
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Weiterhin mündet in den Rezirkulationskanal 44 ein Mündungskanal 46, der Teil der Niederdruckabgasrückführung 36 ist. Sofern eine Abgasrückführung über die Niederdruckabgasrückführung 36 erfolgen soll, strömt das rückgeführte Abgas somit in den Rezirkulationskanal 42, vermischt sich dort mit dem dort vorhandenen Frischgas und tritt in den das Laufrad 26 aufnehmenden Abschnitt des Hauptströmungskanals 42 ein.
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Sowohl die vor dem Laufrad 26 in den Hauptströmungskanal 42 mündende erste Kanalöffnung 54 als auch die Verbindung zwischen dem Rezirkulationskanal 44 und dem Mündungskanal 46 der Niederdruckabgasrückführung 36 ist mittels einer scheibenförmige Blende 48 verschließbar, die drehbar in dem Gehäuse 40 gelagert und mittels einer nicht dargestellten Verstelleinrichtung in Stufen oder stufenlos verdreht werden kann. Dabei weist die Blende 48 Durchgangsöffnungen 50 auf, deren Öffnungsquerschnitt vorzugsweise den Querschnitten der ersten Kanalöffnung 54bzw. des Mündungskanals 46 entsprechen und die durch ein Verdrehen mehr oder weniger in Überdeckung mit der ersten Kanalöffnung 54 bzw. dem Mündungskanal 46 gebracht werden können, um diese zu verschließen bzw. zu öffnen. Dabei ist sowohl ein vollständiges Verschließen als auch ein vollständiges Öffnen der ersten Kanalöffnung 54 und des Mündungskanals 46 möglich.
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Die Anordnung der Durchgangsöffnungen 50 in der Blende 48 ist derart, dass in zumindest einer (Dreh)Stellung der Blende 48 die erste Kanalöffnung 54 vollständig geöffnet und der Mündungskanal 46 vollständig verschlossen ist. In zumindest einer weiteren Drehstellung der Blende 48 ist die erste Kanalöffnung 54 vollständig geschlossen und der Mündungskanal 46 vollständig geöffnet. In zumindest einer weiteren Drehstellung der Blende 48 sind sowohl die erste Kanalöffnung 54 als auch der Mündungskanal 46 zumindest teilweise geöffnet. Zwischen diesen Drehstellungen sind Zwischenstellungen möglich, bei denen es zu einem teilweisen Verschließen/Öffnen der erster Kanalöffnung 54 und des Mündungskanals 46 kommen kann, wobei Drehstellungen vorgesehen sein können, in denen die erste Kanalöffnung 54 oder der Mündungskanal 46 teilweise verschlossen ist, während die andere Öffnung vollständig geschlossen oder offen ist.
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In der 3 sind beispielhaft in einem Motorkennfeld drei Betriebsbereiche dargestellt, in denen der Verbrennungsmotor 10 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine betrieben werden kann und die sich u.a. in der Art der Nutzung des Rezirkulationskanals 44 bzw. der Stellung der Blende 48 mit dazugehörigem Öffnen/Verschließen der ersten Kanalöffnung 54 und des Mündungskanals 46 unterscheiden. In dem Motorkennfeld ist der effektive Mitteldruck als Maß für die Last über der Drehzahl (einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10) dargestellt. Weiterhin ist die Vollastkurve 56 eingezeichnet.
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Ein erster Betriebsbereich stellt den sogenannten Low-End-Torque-Bereich 58 dar, der durch Volllast bei niedrigen Drehzahlen gekennzeichnet ist. In diesem Betriebsbereich 48 ist die ersten Kanalöffnung 54 mehr oder weniger, vorzugsweise vollständig geöffnet, während der Mündungskanal 46 vollständig verschlossen ist. Eine Rückführen von Abgas über die Niederdruckabgasrückführung erfolgt nicht. Frischgas strömt über den Rezirkulationskanal 44 in den Eintrittsabschnitt des Hauptströmungskanals 42 zurück, um die Pumpgrenze des Verdichters 16 zu verschieben.
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In der 4 ist ein entsprechendes Verdichterkennfeld beispielhaft dargestellt, in dem zudem die drei in das Motorkennfeld eingezeichneten Betriebsbereiche kenntlich gemacht sind. Konkret ist dort in gepunkteten Linien das Verdichterkennfeld eines erfindungsgemäßen Verdichter und zum Vergleich mit durchgehenden Linien das Verdichterkennfeld eines konventionellen Verdichters ohne Rezirkulationskanal 44 und somit auch ohne Mündung der Niederdruckabgasrückführung 36 in den Rezirkulationskanal 44 (jedoch ansonsten im Wesentlichen identisch) dargestellt.
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Dort ist zu erkennen, dass der Low-End-Torque-Bereich 58, wie er in der 4 dargestellt ist, bereits hinter der Pumpgrenze des konventionellen Verdichters liegt, während die Pumpgrenze des erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich dazu nach links verschoben ist, so dass der Low-End-Torque-Bereich 58 zumindest teilweise noch innerhalb des relevante Kennfeldbereichs liegt.
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Ein zweiter Betriebsbereich stellt einen Teillastbereich 60 des Verbrennungsmotors 10 dar, der hier eine mittlere Last bei niedrigen bis hohen Drehzahlen abdeckt. In diesem Betriebsbereich ist die ersten Kanalöffnung 54 vollständig verschlossen, während der Mündungskanal 46 so weit geöffnet ist, dass dem Verdichter eine Abgasrückführrate von bis zu 20% zugeführt wird. Durch die verschlossene erste Kanalöffnung 54 ist der Rezirkulationskanal 44 - abgesehen von seiner Funktion im Rahmen der Rückführung von Abgas - inaktiv. Da in dem Teillastbereich vielfach auch keine relevanten Druckunterschiede in dem Hauptströmungskanal 42 im Bereich der erste Kanalöffnung 54 einerseits und im Bereich der zweiten Kanalöffnungen 52 andererseits bestehen, kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die erste Kanalöffnung 54 nicht (oder nicht vollständig) mittels der Blende 48 verschlossen iswt, da aufgrund der geringen Druckunterschiede auch dann keine relevante Frischgasströmung über den Rezirkulationskanal 44 erfolgen.
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Ein dritter Betriebsbereich stellt einen Nennlastbereich 62 des Verbrennungsmotors 10 dar, der durch (annähernd) Volllast bei hohen bis höchsten Drehzahlen gekennzeichnet ist. In diesem Betriebsbereich sind sowohl die erste Kanalöffnung 54 als auch der Mündungskanal 46 vorzugsweise vollständig geöffnet, um zum einen den maximalen Durchsatz für das Frischgas zu generieren und somit die Stopfgrenze im Verdichterkennfeld der 4 nach rechts zu verschieben, als auch um dem Verbrennungsmotor 10 eine Abgasrückführrate von ca. 7% zuzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Frischgasstrang
- 14
- Luftfilter
- 16
- Verdichter
- 18
- Ladeluftkühler
- 20
- Turbine
- 22
- Abgasstrang
- 24
- Welle
- 26
- Laufrad
- 28
- Partikelfilter
- 30
- Hochdruckabgasrückführung
- 32
- Abgasrückführungskühler
- 34
- Regeleinrichtung
- 36
- Niederdruckabgasrückführung
- 38
- Abgasrückführungskühler
- 40
- Gehäuse
- 42
- Hauptströmungskanal
- 44
- Rezirkulationskanal
- 46
- Mündungskanal
- 48
- Blende
- 50
- Durchgangsöffnungen
- 52
- zweite Kanalöffnung
- 54
- erste Kanalöffnung
- 56
- Volllastkurve
- 58
- Low-End-Torque-Bereich
- 60
- Teillastbereich
- 62
- Nennleistungsbereich
