DE102012202857A1

DE102012202857A1 - Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102012202857A1
Application number: DE201210202857
Authority: DE
Inventors: Markus Märkl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Ein Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor (10) umfasst eine in einem Abgastrakt (16) angeordnete, durch Abgase des Verbrennungsmotors (10) angetriebene Turbine (18), und einen in einem Frischluftansaugtrakt (12) angeordneten, durch die Turbine (18) angetriebenen Verdichter (12). Gemäß der Erfindung ist ein Verbindungskanal (22) vom Ansaugtrakt (12) zum Abgastrakt (16) vorgesehen, der selektiv freigebbar und absperrbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor.
Neuere Entwicklungen im Bereich der Kfz-Motorsteuerung sehen in bestimmten Situationen zur Wirkungsgradsteigerung bzw. zur Reduzierung des Schleppmoments vor, dass zeitweise einzelne oder alle Zylinder des Verbrennungsmotors abgeschaltet werden und der Motor im eingekuppelten Zustand vom fahrenden Fahrzeug bis zu sehr niedrigen Drehzahlen mitgeschleppt wird. Durch diese Maßnahme kann auch ein Verbrauchsvorteil und damit eine Reduzierung des CO₂-Ausstoßes erreicht werden.
Falls an den Verbrennungsmotor ein Abgasturbolader gekoppelt ist, kann das Abschalten der Zylinder jedoch zu Problemen führen. Nach dem Abschalten einzelner oder aller Zylinder gelangt nämlich nur ein reduzierter bzw. gar kein Abgasstrom zur Turbine des Abgasturboladers, sodass die Drehzahl rapide sinkt und die Turbine zum Stillstand kommt. Gleichzeitig dreht aber der mitgeschleppte Verbrennungsmotor weiter und treibt über die Kurbelwelle bzw. über die Nockenwelle die Schmierölpumpe weiter an, was dazu führt, dass die Gleitlager des Abgasturboladers weiterhin mit Öldruck beaufschlagt werden. Die Dichtungen dieser Lagerstellen gegenüber dem Verdichter- und dem Turbinengehäuse sind so ausgeführt, dass sie eine Mindestdrehzahl (z. B. 40.000 U/min) zur Abdichtung gegen die Druckölbeaufschlagung benötigen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Dichtungen der Lagerstellen bei Unterschreiten der Mindestdrehzahl oder bei stehendem Turbolader und unter realistischen Betriebsbedingungen des Schmieröls dem Öldruck nur kurze Zeit standhalten (in der Größenordnung von etwa 5 s); danach findet ein erster Ölaustritt auf der Verdichterseite statt. Der Ölaustritt von den Lagerstellen in Richtung der Verdichterseite führt dazu, dass Schmieröl in die Ansaugluft und damit in den Brennraum des Motors gelangt. Dies führt zu einem Anstieg des Ölverbrauchs sowie zu einem erhöhten Emissionsausstoß. Auch die Klopfneigung ist dadurch deutlich erhöht.
Das Problem des Ölaustritts könnte grundsätzlich durch die Verwendung von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern zur Lagerung des Abgasturboladers gelöst werden, da Wälzlager keine Druckbeaufschlagung mit Schmieröl, sondern nur einen Ölnebel zur Kühlung benötigen.
Hinsichtlich des Schleppmoments ist zu beachten, dass bei eingekuppeltem Motor dadurch, dass das Antriebssystem noch mitgeschleppt wird, Reibungsverluste entstehen, die ungenutzt als Wärme abgeführt werden. Für nicht abgeschaltete Zylinder verschlechtert sich die Aufladung, was sich in Druckverlusten äußert, d. h. es sind höhere Drücke für den Gaswechsel notwendig. Die erhöhte Ansaug- und Ausschiebearbeit führt dazu, dass nur ein geringerer Anteil der eingesetzten Energie für die Fortbewegung beim Ausrollen zur Verfügung steht.
Durch Drücken der Kupplung können die Reibungsverluste vermieden und die Wegstrecke für das Ausrollen verlängert werden. Nach einem Auskuppeln ist jedoch kein dynamischer Lastwechsel (schnelles Beschleunigen) möglich, da die Verluste über die Kupplung durch den hohen Drehzahlunterschied an beiden Antriebsstrangenden relativ hoch sind. Im ausgekuppelten Zustand drehen nämlich der Motor und der Abgasturbolader aus, sodass das Fahrzeug beim Einkuppeln durch das Wiedereinsetzen des Motors mit höherer Drehzahl stark gebremst wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Schubbetrieb – insbesondere nach einer Abschaltung von Zylindern – eines Verbrennungsmotors den oben erläuterten Nachteilen entgegenzuwirken; vor allem sollen die Betriebssicherheit des Abgasturboladers sichergestellt und ein effizienteres Ausrollen des Fahrzeugs erreicht werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor umfasst eine in einem Abgastrakt angeordnete, durch Abgase des Verbrennungsmotors angetriebene Turbine, und einen in einem Frischluftansaugtrakt angeordneten, durch die Turbine angetriebenen Verdichter. Gemäß der Erfindung ist ein Verbindungskanal vom Ansaugtrakt zum Abgastrakt vorgesehen, der selektiv freigebbar und absperrbar ist.
Der Verbindungskanal bildet eine Art „Kurzschlussleitung” zwischen der Verdichterseite und der Turbinenseite des Abgasturboladers, die wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann. In den Fällen, in denen weniger oder kein Abgas vom Verbrennungsmotor zur Turbine gelangt, verhindert der Verbindungskanal einen raschen Drehzahlabfall des Motors und des Abgasturboladers, indem Luft vom Ansaugtrakt in den Abgastrakt überführt wird. Auf diese Weise kann die Drehzahl der Turbine (und damit auch die des Verdichters) längere Zeit auf einem vergleichsweise hohen Drehzahlniveau gehalten werden.
Das Aufrechterhalten eines hohen Drehzahlniveaus hat den Vorteil, dass der Abgasturbolader nicht so schnell die kritische Mindestdrehzahl unterschreitet. Damit ist für eine ausreichende Dichtigkeit der Lagerstellen des Abgasturboladers gegenüber der Druckölbeaufschlagung durch die Schmierölpumpe des Motors gesorgt. Insoweit ist also die Betriebssicherheit des Abgasturboladers sichergestellt. Das Unterbinden eines Ölaustritts von den Lagerstellen in Richtung der Verdichterseite ist darüber hinaus zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten sowie zur Erzielung eines minimalen Ölverbrauchs zwingend notwendig.
Bei einem Ausrollen des Fahrzeugs mit eingekuppeltem Motor sorgt das durch den Verbindungskanal länger aufrechterhaltene hohe Drehzahlniveau des Motors dafür, dass im Falle eines dynamischen Lastwechsels (wenn also der Fahrer schnell auf das Gaspedal tritt) dafür, dass das Fahrzeug weniger stark abgebremst wird, als dies bei einem Ausrollen mit ausgekuppeltem Motor und anschließendem Einkuppeln der Fall wäre. In letzterem Fall wären nämlich die Verluste über die Kupplung durch den höheren Drehzahlunterschied an beiden Antriebsstrangenden deutlich höher.
Insgesamt werden mit der Erfindung somit positive Effekte hinsichtlich des Verschleißes der Kupplung, des Energieverbrauchs durch das Abbremsen des Fahrzeugs bei eingekuppeltem Motor und der Betriebssicherheit des Abgasturboladers erreicht.
Zum selektiven Freigeben bzw. Absperren des Verbindungskanals kann eine eigens vorgesehene Absperrvorrichtung dienen, insbesondere ein im Verbindungskanal angeordnetes Absperrventil oder Regelventil.
Für einen korrekten Betrieb der sicherheitsrelevanten Absperrvorrichtung ist eine Steuerung zur Betätigung der Absperrvorrichtung vorgesehen.
Die Öffnung des erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungskanals ist nur dann sinnvoll, wenn das Antriebssystem vom ausrollenden Fahrzeug mitgeschleppt wird (Schubbetrieb). Dementsprechend sollte die Auslegung der Steuerung gewährleisten, dass der Verbindungskanal nur in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors freigegeben wird.
Die Ansteuerung der Absperrvorrichtung kann elektrisch oder pneumatisch erfolgen. Gemäß der ersten Alternative kann die Steuerung in die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors integriert sein. Die Ansteuerung lässt sich insbesondere vorteilhaft als Funktion der digitalen Motorelektronik (DME) realisieren.
Als Indikator für einen Schubbetrieb oder einen Betrieb des Motors mit abgeschalteten Zylindern kann auch ein Über/Unterdrucksystem dienen. Entsprechend umfasst in diesem Fall die Steuerung ein solches Über-/Unterdrucksystem.
Um Sicherzustellen, dass keine Abgase in den Frischluftansaugtrakt gelangen können, ist im Verbindungskanal vorzugsweise ein Rückschlagventil angeordnet.
Gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist ein Aufbau vorgesehen, bei dem der Verbindungskanal von der Druckseite des Verdichters zur Saugseite der Turbine führt. Wenn der Verbindungskanal geöffnet ist, kann die komprimierte Frischluft, die zur Turbine geleitet wird, auf diese vorteilhaft einen Impuls in Antriebsrichtung ausüben.
Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Insbesondere kann der Verbindungskanal auch von der Saugseite des Verdichters zur Druckseite der Turbine führen. Bei einem solchen Aufbau werden sowohl der Verdichter als auch die Turbine vom abgezweigten Frischluftstrom umgangen (analog einem Wastegate-Bypasskanal).
Die praktische Ausführung des Verbindungskanals kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann der Verbindungskanal sowohl im Wesentlichen durch eine (externe) Schlauchleitung als auch im Wesentlichen durch einen Gusskanal (im Gehäuse des Abgasturboladers) gebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Abgasturboladersystems;
2 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers nach einer ersten Ausführungsform; und
3 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers nach einer zweiten Ausführungsform.
In 1 ist ein Abgasturboladersystem mit einem Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor 10 mit einem in einem Frischluftansaugtrakt 12 angeordneten Verdichter 14 und einer in einem Abgastrakt 16 angeordneten Turbine 18 dargestellt, die über eine Welle 20 drehfest miteinander verbunden sind. Die Turbine 18 wird in allgemein bekannter Weise durch Abgase des Verbrennungsmotors 10 in Drehung versetzt und treibt dadurch den Verdichter 14 an.
2 zeigt einen Abgasturbolader, der gegenüber der in 1 dargestellten Vorrichtung modifiziert ist. Zusätzlich zu dem Ansaugtrakt 12 und dem Abgastrakt 16 ist ein Verbindungskanal 22 zwischen dem Verdichter 14 und der Turbine 18 vorgesehen, der selektiv freigebbar und absperrbar ist. Hierzu ist eine Absperrvorrichtung 24 in Form eines Absperrventils oder eines Regelventils im Verbindungskanal 22 angeordnet. Die Absperrvorrichtung 24 steht in Verbindung mit einer Steuerung, über die die Absperrvorrichtung 24 betätigt wird. In einer Ausführungsform ist die Steuerung Teil der digitalen Motorelektronik (DME), die alle zentralen Funktionen des Verbrennungsmotors 10 steuert und überwacht.
Außerdem ist im Verbindungskanal 22 ein Rückschlagventil 26 angeordnet, das eine Strömung von Abgasen zur Verdichterseite unterbindet. Durch den Verbindungskanal 22 ist also prinzipiell nur eine Strömung von Frischluft zur Turbinenseite möglich.
Im Normalfall ist der Verbindungskanal 22 geschlossen, sodass der Abgasturbolader in allgemein bekannter Weise betrieben wird. Erkennt die Steuerung jedoch einen Schubbetrieb, d. h. ein Mitschleppen des Antriebssystems bei eingekuppeltem Motor 10, sorgt die Steuerung dafür, dass der Verbindungskanal 22 freigegeben wird. Der so ermöglichte Frischluftstrom vom Ansaugtrakt 12 in den Abgastrakt 16 halt den Abgasturbolader länger auf einem höheren Drehzahlniveau als es der reduzierte bzw. nicht mehr vorhandene Abgasstrom erlauben würde.
Während der Fahrt des Fahrzeugs kann die Motor- bzw. Fahrzeugsteuerung in bestimmten Situationen das Abschalten einzelner oder mehrerer Zylinder des Verbrennungsmotors 10 durch Reduzieren des Ventilhubs der entsprechenden Auslass- und/oder Einlassventile auf Null vorsehen, um eine Wirkungsgradsteigerung, Schleppmomentreduzierung, Kraftstoffeinsparung und/oder Emissionsreduzierung zu erreichen. Der nicht ausgekuppelte Verbrennungsmotor 10 wird vom fahrenden Fahrzeug mitgeschleppt und dreht deshalb weiter. Aufgrund der Motordrehung wird die angekoppelte Schmierölpumpe vom Verbrennungsmotor 10 weiter angetrieben. Der Abgasturbolader würde in dieser Situation normalerweise ausdrehen, da wegen der abgeschalteten Zylinder nur noch ein reduzierter oder gar kein Abgasstrom mehr zur Turbine 18 gelangt. Auch in diesem Fall sorgt jedoch der freigegebene Verbindungskanal 22 dafür, dass der Abgasturbolader längere Zeit auf einem höheren Drehzahlniveau verbleibt, mit den bereits genannten Vorteilen.
Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des Abgasturboladers führt der Verbindungskanal 22 von der Druckseite des Verdichters 14 zur Saugseite der Turbine 18, sodass die druckbeaufschlagte Frischluft nach dem Öffnen des Verbindungskanals 22 einen Impuls auf die Turbine 16 in Antriebsrichtung ausüben kann.
Es ist aber auch eine alternative Ausführungsform des Abgasturboladers möglich, bei der der Verbindungskanal 22 von der Saugseite des Verdichters 14 zur Druckseite der Turbine 18 führt. Der von der Verdichterseite zur Turbinenseite geleitete Frischluftstrom umgeht somit sowohl den Verdichter 14 als auch die Turbine 18.
Bei allen Ausführungsformen kann anstelle der Anbindung der Absperrvorrichtungssteuerung an die digitale Motorelektronik auch eine Kopplung an ein Über-/Unterdrucksystem vorgesehen sein, das einen Indikator für das Vorliegen eines Schubbetriebs oder eines Betriebs des Motors 10 mit abgeschalteten Zylindern darstellt.
Der Verbindungskanal 22 kann sowohl extern durch eine Verschlauchung verwirklicht oder auch im Gehäuse des Abgasturboladers als Gusskanal ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Ansaugtrakt
14: Verdichter
16: Abgastrakt
18: Turbine
20: Welle
22: Verbindungskanal
24: Absperrvorrichtung
26: Rückschlagventil

Claims

Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor (10), mit einer in einem Abgastrakt (16) angeordneten, durch Abgase des Verbrennungsmotors (10) angetriebenen Turbine (18), und einem in einem Frischluftansaugtrakt (12) angeordneten, durch die Turbine (18) angetriebenen Verdichter (14), dadurch gekennzeichnet, dass einen Verbindungskanal (22) vom Ansaugtrakt (12) zum Abgastrakt (16) vorgesehen ist, der selektiv freigebbar und absperrbar ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Freigeben bzw. Absperren des Verbindungskanals (22) eine Absperrvorrichtung (24), insbesondere ein im Verbindungskanal (22) angeordnetes Absperrventil oder Regelventil, vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betätigung der Absperrvorrichtung (24) eine Steuerung vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung so ausgelegt ist, dass der Verbindungskanal (22) nur in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) freigegeben wird.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung Teil einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors (10) ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ein Über-/Unterdrucksystem umfasst.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verbindungskanal (22) ein Rückschlagventil (26) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (22) von der Druckseite des Verdichters (14) zur Saugseite der Turbine (18) führt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (22) von der Saugseite des Verdichters (14) zur Druckseite der Turbine (18) führt.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (22) im Wesentlichen durch eine Schlauchleitung gebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (22) im Wesentlichen durch einen Gusskanal gebildet ist