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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zuluftleitung und zumindest einer Abgasleitung und zumindest einem ersten Turbolader, welcher eine erste Turbine und einen ersten Verdichter enthält, und zumindest einem zweiten Turbolader, welcher eine zweite Turbine und einen zweiten Verdichter enthält, wobei zumindest der erste Verdichter dazu eingerichtet ist, der Zuluftleitung Umgebungsluft zuzuführen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Sekundärgasstrom zur Abgaskühlung verwendet wird.
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Aus der Praxis ist bekannt, Brennkraftmaschinen mit interner Verbrennung mit einem stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu betreiben. Dies ermöglicht eine vollständige Nachoxidation des Abgases in einem Abgaskatalysator, so dass im Abgas der Brennkraftmaschine keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe enthalten sind.
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Dieser stöchiometrische Betrieb weist jedoch den Nachteil auf, dass die Brennkraftmaschine bei hoher Last und/oder hohen Drehzahlen sehr hohe Abgastemperaturen erzeugt, welche die im Abgasstrang befindlichen Bauteile schädigen können. Dies sind insbesondere die zur Abgasnachbehandlung eingesetzten Katalysatoren, eine zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses verwendete Lambda-Sonde und bei Motoren mit Turbolader die im Abgasstrang befindliche Turbine des Turboladers. Das Problem unzulässig hoher Abgastemperaturen tritt insbesondere, aber nicht ausschließlich bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen auf.
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Aus der Praxis ist bekannt, zur Vermeidung dieser hohen Temperaturen zusätzlichen Kraftstoff einzuspritzen und dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch anzufetten. Die Verdampfungswärme des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes kann dann zur Kühlung der im Abgasstrang eingesetzten Bauteile eingesetzt werden. Die hierzu benötigte Kraftstoffmenge kann zusätzlich 30% der für die Erzeugung der mechanischen Leistung erforderlichen Menge betragen, so dass bei Verzicht auf diese Maßnahme ein entsprechend hohes Einsparpotential besteht.
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Aus der
DE 10 2007 058 964 A1 ist bekannt, zur Lösung dieses Problems zwei Turbolader einzusetzen, deren Turbinen sequenziell vom Abgas durchströmt werden. Die erste Turbine treibt dabei einen ersten Verdichter an, welcher die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft verdichtet und damit den Füllungsgrad der Zylinder erhöht. Nachdem das Abgas die erste Turbine durchströmt hat, gelangt es in die zweite Turbine, welche einen zweiten Verdichter antreibt. Der zweite Verdichter ist dazu eingerichtet, einen Teilstrom gekühlten Abgases oder Frischluft in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine einzubringen, um die Abgastemperatur zu senken.
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Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass die sequenzielle Anordnung zweier Turbolader einen hohen Abgasgegendruck erzeugt, welcher den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert. Da der Abgasstrom stets durch beide Turbolader geleitet wird, kann eine flexible Regelung der Brennkraftmaschine in unterschiedlichen Betriebszuständen nicht erfolgen.
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Aus der
DE 10 2011 103 654 A1 ist bekannt, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit einer Umgehungseinrichtung auszustatten. Die Umgehungseinrichtung weist einen Umgehungskanal auf, über welchen das Turbinenrad des Abgasturboladers vom Abgas zu umgehen ist, wobei der Umgehungseinrichtung eine zweite Turbine zugeordnet ist. Die zweite Turbine treibt eine Kühleinrichtung an, welche zum Kühlen des Abgastrakts der Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Die
DE 10 2009 013 040 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader, wobei die erste und die zweite Turbine der beiden Abgasturbolader in einem Abgasstrang parallel zueinander angeordnet sind und der erste und der zweite Verdichter der beiden Abgasturbolader in einem Frischluftstrang parallel zueinander angeordnet sind. Im Abgasstrang befindet sich ein Ventil, welches in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine den Abgasmassenstrom durch die zweite Turbine reduziert und/oder unterbricht und gleichzeitig den Abgasmassenstrom durch die erste Turbine uneingeschränkt zulässt. Der zweiten Abgasturbolader enthält neben der zweiten Turbine eine zusätzliche weitere Antriebsvorrichtung.
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Die
DE 11 2009 001 059 T5 zeigt ein Motorlufteinlasssystem mit einer durch Abgas angetriebenen Hilfsluftpumpe, um Luft direkt in die Auslassseite des Lufteinlasssystems zu leiten.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu ihrem Betrieb mit günstigem Abgasverhalten und hohem Wirkungsgrad bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 7, ein Verfahren gemäß Anspruch 11 und ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 17 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Zuluftleitung und zumindest einer Abgasleitung auszustatten. Die Brennkraftmaschine kann zumindest eine Kolben-Zylinder-Paarung aufweisen oder eine Drehkolbenmaschine sein. Über die Zuluftleitung und zumindest ein Einlassventil kann der Brennraum des Zylinders mit einem oxidierenden Gas gefüllt werden, beispielsweise Umgebungsluft. Kraftstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, kann dem zumindest einen Brennraum der Brennkraftmaschine in einer Ausführungsform der Erfindung über zumindest ein Einspritzventil direkt zugeführt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kraftstoff in die Zuluftleitung eingespritzt werden, so dass in der Zuluftleitung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt, welches über ein Einlassventil dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die Brennkraftmaschine kann fremdgezündet sein, d.h. mittels einer Zündeinrichtung kann zu einem vorgebbaren Zeitpunkt das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum gezündet und nachfolgend zum Abbrand gebracht werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine selbstzündend sein, d.h. das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet sich aufgrund der bei der Verdichtung entstehenden Temperaturen selbsttätig. Die bei der exothermen Reaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches frei werdende Energie dient zum Antrieb der Brennkraftmaschine und kann an deren Ausgangswelle als mechanisches Drehmoment bzw. mechanische Leistung abgegriffen werden. Die Verbrennungsabgase verlassen die Brennräume über die Abgasleitung.
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Um ein günstiges Abgasverhalten zu erzielen, wird entweder angestrebt, die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu betreiben oder aber einen Magerbetrieb vorzusehen, bei welchem ein Luftüberschuss in den Brennräumen der Brennkraftmaschine vorhanden ist. Hierzu wird die Brennkraftmaschine mit einer zugeordneten Steuer- und/oder Regeleinrichtung entsprechend geregelt, so dass die zugeführte Kraftstoffmenge, die Stellung eines Abgasrückführungsventils, der Zündzeitpunkt, die Zündenergie, der Einspritzzeitpunkt, der Ladedruck in der Zuluftleitung, der Ventilhub der Einlass- und/oder Auslassventile, der Öffnungszeitpunkt der Einlass- und/oder Auslassventile, die Anzahl der Einzeleinspritzungen oder weitere, hier nicht genannte Parameter entsprechend dem jeweiligen Betriebszustand eingestellt werden.
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Zur Erhöhung der spezifischen Leistung ist vorgesehen, das Abgas durch eine Turbine zu leiten und dadurch dem Abgasstrom Energie zu entziehen, welche an der Ausgangswelle der Turbine als mechanische Leistung zur Verfügung steht. Diese mechanische Leistung kann dazu verwendet werden, einen Verdichter anzutreiben, welcher die Umgebungsluft in der Zuluftleitung verdichtet. Hierdurch kann der Füllungsgrad der Brennräume in zumindest einigen Betriebszuständen erhöht werden, so dass mehr Sauerstoff zur Umsetzung des Kraftstoffes im Brennraum zur Verfügung steht.
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Weiterhin kann das Abgas in einem Abgasreinigungssystem nachbehandelt werden, beispielsweise durch einen Katalysator. Hierdurch können Stickoxide und/oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid und/oder Kohlenstoff in weniger schädliche Substanzen umgewandelt werden, beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser.
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Um eine Schädigung des Abgasreinigungssystems und der Turbine des Verdichters durch unzulässig hohe Abgastemperaturen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Abgas durch einen Sekundärgasstrom zu kühlen. In zumindest einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine enthält der Sekundärgasstrom zumindest einen Teilstrom des in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine strömenden Abgases. Der dem Verdichter zugeführte Teilstrom des Abgases kann aus der Hauptabgasleitung an einem in Strömungsrichtung entfernten Punkt entnommen werden, d.h. nahe der Auspufföffnung und/oder hinter dem Abgasreinigungssystem und/oder hinter der zumindest einen Turbine.
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Um den Sekundärgasstrom der Abgasleitung zuzuführen, wird dieser durch einen zweiten Verdichter auf ein gegenüber dem in der Abgasleitung strömenden Abgas erhöhtes Druckniveau gebracht. Der zweite Verdichter kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mittels eines Elektromotors angetrieben werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Verdichter über ein Getriebe, eine Antriebswelle oder einen Keilrippenriemen von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben werden. In einigen Ausführungsformen wird der zweite Verdichter durch eine zweite Turbine angetrieben, welche ihrerseits vom Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei dem Abgasstrom zusätzliche Energie entzogen wird.
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Anders als aus dem Stand der Technik bekannt, wird die zweite Turbine parallel zur ersten Turbine angeordnet. Dies bedeutet, dass die Abgasleitung zumindest einen Längsabschnitt aufweist, in welchem diese in einen ersten Ast und einen zweiten Ast aufgeteilt ist, wobei die erste Turbine im ersten Ast angeordnet ist und die zweite Turbine im zweiten Ast angeordnet ist. Es wurde erkannt, dass der zum Betrieb der Brennkraftmaschine in der Zuluftleitung erforderliche Ladedruck bei hohen Drehzahlen bzw. hoher Last der Brennkraftmaschine mit einem Bruchteil des in der Abgasleitung strömenden Massenstromes des Abgases aufgebaut werden kann. Der überschüssige Teil des Abgasstromes wird bei bekannten Brennkraftmaschinen entweder über ein Wastegate-Ventil an der Turbine vorbeigeleitet oder die Turbine weist eine variable Schaufelgeometrie auf, mit welcher der Wirkungsgrad der Turbine und damit die dem Verdichter zugeführte mechanische Leistung geregelt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den überschüssigen Abgasstrom in die zweite Turbine zu leiten und dadurch den Verdichter des Sekundärgasstromes anzutreiben. Bei niedriger Last und niedrigem Abgasmassenstrom wird das Abgas ausschließlich oder überwiegend im ersten Ast geführt, um den Ladedruck in der Zuluftleitung zu erzeugen. Da die Abgastemperatur in diesem Betriebszuständen gering ist, kann der zweite Verdichter mit geringer Leistung betrieben oder abgeschaltet werden. Bei hoher Last und hohem Abgasmassenstrom wird ein zunehmender Anteil des Abgases in den zweiten Ast geleitet, so dass ein zunehmend größerer Sekundärgasstrom zur Abgaskühlung erzeugt wird. In diesen Betriebszuständen stehen somit beide Äste der Abgasleitung zur Verfügung, so dass die Abgasleitung einen größeren Querschnitt und daraus resultierend einen geringeren Abgasgegendruck aufweisen kann.
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Der vom zweiten Verdichter bereitgestellte Sekundärgasstrom mit relativ geringer Temperatur wird der Abgasleitung an einer Stelle stromaufwärts der Turbinen wieder zugeführt und vermischt sich dort mit dem Abgas relativ hoher Temperatur. Im Ergebnis stellt sich eine Mischtemperatur ein und die Temperatur des Abgases sinkt unterhalb eines Wertes, welcher zur Beschädigung der Turbinen oder des Abgasreinigungssystems führen würde.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine weiterhin ein erstes schaltbares Ventil mit zumindest einem Eingang und zumindest zwei Ausgängen enthalten, wobei dem Eingang der Abgasstrom der Brennkraftmaschine zuführbar ist und die Ausgänge mit dem ersten Ast und dem zweiten Ast der Abgasleitung verbunden sind. Diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch das schaltbare Ventil die Abgasmassenströme im ersten und im zweiten Ast in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine regelbar sind. Beispielsweise kann in einem Betriebszustand mit geringer Drehmomentabgabe das gesamte Abgas im ersten Ast geführt werden, um auf diese Weise den in der Zuluftleitung erforderlichen Ladedruck aufzubauen. Dazu kann der erste Turbolader eine Größe und/oder Turbinengeometrie aufweisen, welche ein rasches Ansprechen bereits bei geringen Massenströmen und/oder geringen Temperaturen und/oder geringer Strömungsgeschwindigkeit erlaubt. Eine Abgaskühlung ist in diesen Betriebszuständen in der Regel nicht erforderlich, da bei geringer Leistung nur eine geringe Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit in der Brennkraftmaschine umgesetzt wird, was zu geringen thermischen Lasten führt.
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Wenn die Leistungsabgabe bzw. das abgegebene Drehmoment der Brennkraftmaschine ansteigt, wird zunehmend mehr Kraftstoff in der Brennkraftmaschine umgesetzt, was auch zum Ansteigen der thermischen Lasten bzw. der Abgastemperatur führt. Gleichzeitig steigt aufgrund der höheren Drehzahl und der höheren Kraftstoffmenge auch der Massenstrom des Abgases in der Abgasleitung. Da nicht der gesamte Massenstrom zum Antrieb der ersten Turbine und des ersten Verdichters benötigt wird, kann über das schaltbare Ventil ein Teilstrom des Abgases in den zweiten Ast geleitet werden, wo das Abgas die zweite Turbine und den zweiten Verdichter antreibt. Der zweite Verdichter kann nun einen Teilstrom des Abgases aus der Abgasleitung entnehmen und diesen zur Kühlung des gesamten Abgasstromes an einer Stelle stromaufwärts der Turbinen und/oder stromaufwärts des schaltbaren Ventils wieder zuführen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine zumindest einen Zylinder aufweisen, wobei jeder Zylinder zumindest ein zugeordnetes Einlassventil aufweist und zumindest ein erstes zugeordnetes Auslassventil und zumindest ein zweites zugeordnetes Auslassventil. An das erste Auslassventil schließt der erste Ast der Abgasleitung an und an das zweite Auslassventil schließt der zweite Ast der Abgasleitung an. Hierdurch kann durch Steuerung des Ventilhubes und/oder der Öffnungszeiten und/oder des Öffnungszeitpunktes der Auslassventile der jeweilige Massenstrom im ersten Ast und im zweiten Ast der Abgasleitung gesteuert werden. Dies erlaubt eine Regelung des Ladedruckes in der Zuluftleitung und der Abgastemperatur wie vorstehend beschrieben, ohne dass es eines separaten Ventils im Abgasstrang bedarf.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Auslassventil und das zweite Auslassventil mit Piezostellern ausgestattet sein, so dass diese unabhängig vom Nockenwellenwinkel allein durch elektrische Signale der Motorsteuerung ansteuerbar sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Steuerung der in den beiden Ästen der Abgasleitung geführten Massenströme und eine zylinderselektive Regelung, ohne dass die Ventilsteuerzeiten der gesamten Zylinderbank gleichzeitig geändert werden müssen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Brennkraftmaschine weiterhin zumindest einen Wärmetauscher, mit welchem der dem zweiten Verdichter zuführbare Abgasstrom kühlbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kühlung mittels Umgebungsluft erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Kühlung durch ein flüssiges Wärmeträgermedium erfolgen, beispielsweise Kühlwasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder ein Öl. Der vorgeschlagene Wärmetauscher kann einerseits die Beschädigung des Verdichters durch zu hohe Abgastemperaturen verhindern und andererseits eine effektive Abgaskühlung ermöglichen, indem ein größerer Temperaturgradient zwischen dem zur Kühlung verwendeten Sekundärgasstrom und dem Hauptabgasstrom der Brennkraftmaschine erreicht wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine zumindest einen Abgasladeluftkühler aufweisen, mit welchem der dem zweiten Verdichter entnommene Sekundärgasstrom kühlbar ist. Auch in diesem Fall kann die Kühlung durch Umgebungsluft oder eine Flüssigkeitskühlung erfolgen, beispielsweise kann der Abgasladeluftkühler an den Kühlmittelkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine angeschlossen sein. Diese Ausführungsform der Erfindung kann den Vorteil aufweisen, dass auch die bei der adiabatischen Verdichtung des Sekundärgasstromes im zweiten Verdichter anfallende Wärme abgeführt werden kann, so dass der Temperaturgradient zwischen dem Sekundärgasstrom und dem Abgasstrom weiter ansteigt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest der erste Turbolader eine variable Turbinengeometrie und/oder ein Wastegate-Ventil aufweisen. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die unabhängige Regelung der Abgastemperatur und des Ladedruckes in der Zuluftleitung, da das Abgas über das Wastegate-Ventil ungenutzt in die Umgebung entweichen kann, wenn kein oder nur ein geringer Ladedruck erforderlich ist und gleichzeitig eine Temperatursenkung des Abgasstromes nicht erforderlich ist, so dass die Abfuhr des Abgases über den zweiten Ast der Abgasleitung entfallen kann. Diese Ausführungsform der Erfindung kann insbesondere das Warmlaufverhalten und das Kaltstartverhalten der Brennkraftmaschine verbessern.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine zumindest ein zweites schaltbares Ventil aufweisen, mit welchem dem zweiten Verdichter entweder Abgas oder Umgebungsluft zuführbar ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite schaltbare Ventil so ausgestaltet sein, dass dieses auch eine Mischung aus Abgas und Umgebungsluft am Eingang des zweiten Verdichters bereitstellen kann. Diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil auf, dass die Zusammensetzung des Sekundärgasstromes in unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine unterschiedlich gewählt sein kann. Beispielsweise kann nach dem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase Umgebungsluft zugeführt werden, um eine exotherme Nachreaktion des Abgases im Abgasstrang zu ermöglichen. Diese thermische Energie kann zur raschen Aufheizung eines Abgasreinigungssystems verwendet werden. Bei Betriebszuständen hoher Last kann das Sekundärgas ganz oder teilweise aus Abgas bestehen, so dass sich das stöchiometrische Verhältnis der Abgaszusammensetzung nicht ändert. Hierdurch können in Betriebszuständen mit mittlerer oder hoher Last exotherme Reaktionen in der Abgasleitung vermieden werden, welche die Abgastemperatur nur unnötig weiter ansteigen lassen würden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Brennkraftmaschine weiterhin zumindest ein drittes schaltbares Ventil, welches dazu eingerichtet ist, den Ausgang des zweiten Verdichters entweder mit der Abgasleitung oder mit der Zuluftleitung zu verbinden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der zweite Turbolader dazu eingesetzt werden, in einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine der Zuluftleitung zusätzlich komprimierte Verbrennungsluft zuzuführen. Dadurch kann auch bei geringen Drehzahlen und/oder geringen Lastzuständen ein hinreichend großer Ladedruck bereitgestellt werden. Bei höheren Lastzuständen, wenn der Abgasmassenstrom im ersten Ast hinreichend ist, um über den ersten Verdichter den Ladedruck in der Zuluftleitung auf den gewünschten Sollwert einzustellen, kann der zweite Verdichter dazu eingesetzt werden, den Sekundärgasstrom zur Abgaskühlung bereitzustellen, wie vorstehend beschrieben. In wiederum einem anderen Betriebszustand kann der zweite Verdichter der Zuluftleitung Abgas zuführen, so dass ein separates Abgasrückführungsventil entfallen kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann in einigen Betriebszuständen bzw. Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine der erste Verdichter dazu eingesetzt werden, der Brennkraftmaschine Zuluft zuzuführen. In anderen Betriebszuständen bzw. Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine kann der zweite Verdichter dazu eingesetzt werden, der Brennkraftmaschine Zuluft zuzuführen und in wiederum anderen Betriebszuständen bzw. Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine kann der erste und der zweite Verdichter parallel eingesetzt werden, um der Brennkraftmaschine Zuluft zuzuführen. Sofern der erste und der zweite Verdichter unterschiedliche Größen und/oder unterschieldliche Schaufelgeometrien aufweisen, steht für jeden Betriebszustand ein optimierter Verdichter zur Verfügung.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann im ersten Ast und im zweiten Ast der Abgasleitung jeweils ein Abgasreinigungssystem vorhanden sein. Hierdurch können die Abgasreinigungssysteme kleiner ausgeführt werden, wodurch diese geringere thermische Massen aufweisen. Dies führt nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine zu einem raschen Aufheizen der Abgasreinigungssysteme oder zumindest eines Abgasreinigungssystems auf Betriebstemperatur, so dass nach dem Kaltstart das Abgasverhalten schnell auf den gewünschten Sollwert eingeregelt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuerung und/oder Regelung der vorgeschlagenen Brennkraftmaschine mittels eines Computerprogrammes erfolgen, welches die jeweils im ersten und zweiten Ast der Abgasleitung geführten Massenströme entsprechend dem gewünschten und/oder gerade anliegenden Betriebszustand einstellt. Hierzu kann das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller ausgeführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Computerprogramm eine Kennfeldsteuerung umfassen, welche Betriebsparameter für die schaltbaren Ventile in Kennfeldern ablegt, wo diese entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abgerufen werden. Das Computerprogramm der Steuerung kann auf einem Datenträger gespeichert sein, beispielsweise einem EEPROM, einem Flash-Speicher, einem optischen Speicher oder einem magnetischen Speicher. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Computerprogramm durch eine datenrepräsentierende Signalfolge in einem Computernetz übertragen werden, beispielsweise über einen CAN-Bus.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eine Turbine und/oder zumindest ein Verdichter mit zumindest einem elektromechanischen Wandler verbunden. Der elektromechanische Wandler kann in einer Ausführungsform der Erfindung oder in einem Betriebszustand elektrische Energie aufnehmen und mechanische Leistung abgeben. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung oder in einem anderen Betriebszustand kann der elektromechanische Wandler mechanische Leistung aufnehmen und elektrische Energie abgeben. Somit kann der elektromechanische Wandler als Motor arbeiten oder als Generator oder wechselweise sowohl als Motor als auch als Generator. Der elektromechanische Wandler kann dazu verwendet werden, bei geringem Abgasstrom die Wirkung der Turbine zu erhöhen und eine höhere Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen, so dass bei geringen Drehzahlen und/oder geringem Abgasstrom ein höherer Ladedruck in der Zuluftleitung erzeugt werden kann. Weiterhin kann der elektromechanische Wandler dazu verwendet werden bei hohem Abgasstrom, wenn nicht die gesamte Leistung der Turbine zum Antrieb des Verdichters benötigt wird, elektrische Energie für das Bordnetz des Fahrzeuges bereitzustellen. In diesem Fall kann der elektromechanische Wandler als variable Last der Turbine eingesetzt werden, um die Drehzahl des Verdichters und damit den Ladedruck auf einen vorgebbaren Sollwert zu regeln.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 3 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 4 zeigt ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 5 zeigt ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 6 zeigt ein Blockschaltbild einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
- 7 zeigt ein Blockschaltbild einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 8. Die Brennkraftmaschine 8 weist eine Mehrzahl von Zylindern 81 auf. In 1 ist eine Vierzylinder-Reihenanordnung gezeigt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere, an sich bekannte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine 8 verwendet werden, wobei die Brennkraftmaschine beispielsweise 1 bis 12 Zylinder aufweist. Die Zylinder 81 können in Reihenanordnung, in V-Anordnung oder in Boxer-Anordnung angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine 8 kann eine selbstzündende oder eine fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Brennkraftmaschine 8 eine Drehkolbenmaschine sein. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines speziellen Typs der Brennkraftmaschine 8 als Lösungsprinzip.
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Die Brennkraftmaschine 8 bezieht Zuluft über eine Zuluftleitung 21 aus der Umgebung. Die Zuluft wird in einem ersten Verdichter 1, welcher zu einem ersten Turbolader A gehört, adiabatisch verdichtet und in der Leitung 22 einem optionalen Ladeluftkühler 2 zugeführt. Der Ladeluftkühler 2 kann der in der Leitung 22 strömenden Luft thermische Energie entziehen und diese in die Umgebung abführen. Hierdurch kann die Dichte in der stromabwärts des Ladeluftkühlers 2 gelegenen Leitung 23 ansteigen. Dies kann den Füllungsgrad der Brennräume der Zylinder 81 der Brennkraftmaschine 8 verbessern.
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Weiterhin wird den Brennräumen der Brennkraftmaschine 8 Kraftstoff zugeführt, welcher entweder direkt in die Brennräume eingespritzt werden kann oder welcher dem Zuluftstrom in der Leitung 23 zugesetzt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennräumen der Zylinder 81 wird thermisch umgesetzt, wobei mechanische Leistung an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 8 abgegeben wird. Das umgesetzte Gasgemisch wird nachfolgend als Abgas bezeichnet und über die Abgasleitung 30 aus der Brennkraftmaschine 8 abgeführt.
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Die Abgasleitung 30 kann so ausgebildet sein, dass die Abgasströme aus einer Mehrzahl von Zylindern 81 zu einem oder mehreren Abgasströmen zusammengefasst werden können, wie bei einem an sich bekannten Abgaskrümmer oder einem Hosenrohr.
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Der Abgasstrom wird nachfolgend einem ersten schaltbaren Ventil 4 zugeführt. Das schaltbare Ventil 4 weist einen Eingang 43 und zwei Ausgänge 41 und 42 auf. Das schaltbare Ventil kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung den Abgasstrom in vorgebbaren oder variablen Anteilen zu den beiden Ausgängen 41 und 42 lenken. Am ersten Ausgang 41 des schaltbaren Ventils 4 ist der erste Ast 31 der Abgasleitung angeordnet. Der zweite Ausgang 42 des schaltbaren Ventils 4 führt in den zweiten Ast 32. Im ersten Ast 31 ist eine erste Turbine 5 des ersten Turboladers A angeordnet. Die erste Turbine 5 treibt den ersten Verdichter an, welcher den Ladedruck für die Zuluftleitung 22 bereitstellt.
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Im zweiten Ast 32 ist eine zweite Turbine 6 angeordnet, welche Bestandteil des zweiten Turboladers B ist. Der zweite Turbolader B weist eine zweite Turbine 9 auf, welche zur Abgaskühlung verwendet wird.
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Die Abgasströme des ersten Astes 31 und des zweiten Astes 32 vereinigen sich in einem Mischer 33, ehe sie über eine Abgasleitung 37 in die Umgebung abgeführt werden. In der Abgasleitung 37 kann ein Abgasreinigungssystem 7 angeordnet sein, beispielsweise ein Rußpartikelfilter oder ein Katalysator. Daneben kann die Abgasleitung 30 und/oder die Leitung 37 weitere, nicht dargestellte Komponenten aufweisen, beispielsweise eine Additiveinspritzung oder eine Lambda-Sonde zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses.
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An die Abgasleitung 37 schließt im Punkt 38 eine Leitung 34 an, welche dem Verdichter 9 einen Teilstrom aus der Abgasleitung 37 zuführt. Der Anschluss der Leitung 34 an die Abgasleitung 37 kann über ein schaltbares Ventil erfolgen, welche den Massenstrom in den beiden Leitungen beeinflussen kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann im Punkt 38 ein Y- oder T-Stück angeordnet sein. In der Leitung 34 ist ein Wärmetauscher 50 angeordnet, welcher dem in der Leitung 34 geführten Teilstrom thermische Energie entzieht. Die thermische Energie kann über ein Wärmeträgermedium abgeführt werden, beispielsweise Umgebungsluft oder Kühlwasser.
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Der Verdichter 9 bringt den in der Leitung 34 strömenden Teilstrom des Abgases auf ein erhöhtes Druckniveau und führt den Teilstrom über die Leitung 36 an den Mischer 35. Der Mischer 35 kann in der einfachsten Ausführungsform ein Y- oder T-Stück in der Abgasleitung 30 sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Mischer 35 ein regelbares Ventil enthalten, so dass die durch den Mischer 35 strömenden Massenströme regelbar sind. Der Mischer 35 befindet sich an einer Stelle stromaufwärts des ersten regelbaren Ventils und stromaufwärts der ersten Turbine 5 und der zweiten Turbine 6, so dass diese Bauteile nicht durch unzulässig hohe Abgastemperaturen belastet werden.
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Die Menge des in der Leitung 34, dem zweiten Verdichter 9 und der Leitung 36 strömenden Sekundärmassenstromes kann durch den optionalen Mischer 35 und/oder über den optionalen Mischer 38 und/oder über die Stellung des Ventils 4 beeinflusst werden, indem durch Regelung des Abgasstromes im zweiten Ast 32 die Antriebsleistung der Turbine 6 beeinflusst wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Turbine 6 zusätzlich eine variable Turbinengeometrie und/oder ein Wastegaste-Ventil aufweisen, um die an den zweiten Verdichter 9 gelieferte Antriebsleistung zusätzlich zu beeinflussen. Somit kann bei niedrigen Abgastemperaturen im Teillastbetrieb der Abgasstrom überwiegend oder ausschließlich durch den ersten Ast 31 geleitet werden, so dass die Zuluftleitung 22 stets den erforderlichen Ladedruck aufweist. Erst bei höherer Motorlast und ansteigenden Abgastemperaturen wird ein überschüssiger Anteil des Abgasstromes zum Antrieb der zweiten Turbine 6 und damit zur Kühlung des Abgasstromes eingesetzt. Da bei mittlerer und hoher Motorlast größere Abgasmengen anfallen, kann durch Öffnen des Ventils 4 der Gesamtquerschnitt der Abgasleitung vergrößert werden, so dass die Brennkraftmaschine 8 im oberen Leistungsbereich mit geringem Abgasgegendruck betrieben werden kann. Gleichzeitig steht im niedrigen Lastbereich bei geringer Abgasmenge aufgrund des kleineren Querschnittes weiterhin eine hohe Strömungsgeschwindigkeit zur Verfügung, welche zum Betrieb der ersten Turbine 5 vorteilhaft ist.
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Bei niedrigen Temperaturen und niedriger Last kann das Abgas ausschließlich oder überwiegend im zweiten Ast geführt werden, so dass durch Verdichtung im zweiten Verdichter 9 zusätzliche thermische Energie erzeugt wird, welche das Abgasreinigungssystem 7 auf Betriebstemperatur bringt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Auch die zweite Ausführungsform weist eine im dargestellten Beispiel vierzylindrige Brennkraftmaschine 8 auf. Die Abgasleitung 30 wird über ein erstes schaltbares Ventil 4 in einen ersten Ast 31 und einen zweiten Ast 32 aufgespalten. Beide Äste enthalten jeweils eine zugeordnete Turbine, welche mechanische Antriebsleistung für zugeordnete Verdichter 1 und 9 bereitstellt.
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Von der anhand von 1 erläuterten ersten Ausführungsform unterscheidet sich die zweite Ausführungsform der Erfindung durch eine zweite Zuluftleitung 21a, welche an den Eingang eines zweiten schaltbaren Ventils 45 angeschlossen ist. Der Abzweig 38 der Abgasleitung ist an einen weiteren Eingang des zweiten schaltbaren Ventils 45 angeschlossen. Somit kann in Abhängigkeit der Stellung des zweiten schaltbaren Ventils 45 in der Leitung 34 entweder Abgas oder Umgebungsluft geführt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung gestattet das zweite schaltbare Ventil 45 auch ein beliebiges Mischungsverhältnis von Umgebungsluft und Abgas.
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Die erste Zuluftleitung 21b führt hingegen dem ersten Verdichter 1 stets Zuluft aus der Umgebung zu, welche vom ersten Verdichter über die Leitung 22b zum Ladeluftkühler 2 geführt wird.
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Der zweite Verdichter 9 komprimiert das Abgas und/oder die Umgebungsluft vom Ausgang des zweiten schaltbaren Ventils 45 und führt diese dem dritten schaltbaren Ventil 44 zu. Das dritte schaltbare Ventil weist einen Eingang und zwei Ausgänge auf, welche mit der Abgasleitung 36 und der zweiten Zuluftleitung 22a verbunden sind. In Abhängigkeit der Stellung des zweiten Ventils 45 und des dritten Ventils 44 kann der zweite Verdichter 9 somit gekühltes Abgas als Sekundärmassenstrom über den Mischer 35 in die Abgasleitung 30 einleiten, wie vorstehend anhand von 1 beschrieben. Alternativ kann der Sekundärmassenstrom vollständig oder teilweise aus Umgebungsluft bestehen, so dass eine Nachoxidation des Abgases stattfinden kann, beispielsweise um ein Abgasreinigungssystem 7 auf Betriebstemperatur zu bringen oder bei erhöhter Temperatur zu regenerieren. In einem weiteren Betriebszustand kann Abgas über die Zuluftleitung 22a und den Ladeluftkühler 2 in die Brennkraftmaschine 8 geleitet werden, um ein Abmagern des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses im Teillastbetrieb zu vermeiden. Schließlich kann in einem Betriebszustand Frischluft aus der Umgebung über den Verdichter 9 in die Zuluftleitung 22a geleitet werden, so dass beide Turbolader im Parallelbetrieb arbeiten, was ein verbessertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine oder ein erhöhtes Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich bewirken kann.
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Die Steuerung der schaltbaren Ventile 4, 45 und 44 kann durch eine Motorsteuerung in Abhängigkeit des Betriebszustandes und des Fahrerwunsches vorgenommen werden, so dass die Brennkraftmaschine 8 stets das gewünschte Drehmoment mit den geringstmöglichen Emissionen und einer optimierten Abgastemperatur bereitstellt.
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Anhand von 3 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Auch in 3 sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann. Wie aus 3 ersichtlich ist, weist die Brennkraftmaschine 8 eine Mehrzahl von Zylindern 81 auf. Jeder Zylinder weist ein erstes Einlassventil 821 und ein zweites Einlassventil 822 auf. Darüber hinaus weist jeder Zylinder ein erstes Auslassventil 831 und ein zweites Auslassventil 832 auf. Der Öffnungszeitpunkt und/oder der Ventilhub und/oder die Öffnungsdauer der Einlass- und Auslassventile kann über Piezosteller, eine Schaltnockenwelle oder zugeordnete Schalttassenstößel an den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 8 angepasst werden.
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Wie aus 3 ersichtlich ist, münden die an die ersten Auslassventile 831 anschließenden Leitungen im ersten Ast 31 der Abgasleitung 30. Die an die zweiten Auslassventile 832 anschließende Leitung mündet im zweiten Ast 32 der Abgasleitung 30. Somit kann der im jeweiligen ersten Ast 31 und zweiten Ast 32 strömende Massenstrom durch Anpassen des Ventilhubes und/oder der Ventilöffnungszeit der ersten und zweiten Auslassventile angepasst werden. Ein zusätzliches schaltbares Ventil 4, welches anhand der 1 und 2 beschrieben wurde, kann in dieser Ausführungsform der Erfindung entfallen. Hierdurch kann der Steuerungsaufwand verringert werden und/oder die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine steigen.
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Anhand der 2 und 3 ist auch ersichtlich, dass der Wärmetauscher 50 auch so angeordnet sein kann, dass der gesamte Abgasstrom im Wärmetauscher 50 gekühlt wird und nicht nur der über die Leitung 34 dem zweiten Verdichter 9 zugeführte Teilstrom.
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Anhand von 4 wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Wie anhand von 4 ersichtlich ist, kann in der Leitung 36 am Ausgang des zweiten Verdichters 9 ein Abgasladeluftkühler 51 angeordnet sein, welcher die durch die adiabatische Verdichtung des Sekundärmassenstroms im Verdichter 9 steigende Temperatur wieder auf einen geringeren Wert absenkt.
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5 erläutert eine fünfte Ausführungsform der Erfindung.
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Diese zeichnet sich dadurch aus, dass im ersten Ast 31 und im zweiten Ast 32 jeweils ein zugeordnetes Abgasreinigungssystem 7a und 7b angeordnet ist. Diese Abgasreinigungssysteme können jeweils kleiner ausgeführt sein als ein einziges Abgassystem, welches den gesamten Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine 8 verarbeiten muss. Hierdurch können die Abgasreinigungssysteme 7a und 7b geringere thermische Massen aufweisen, so dass die Abgasreinigungssysteme nach einem Kaltstart schneller ihre Betriebstemperatur erreichen und so auch im Kurzstreckenverkehr eine effiziente Abgasreinigung ermöglicht wird. Beispielsweise kann nach dem Kaltstart der gesamte Abgasmassenstrom in den ersten Ast 31 geleitet werden, um zunächst das Abgasreinigungssystem 7a auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Erst wenn die Abgasreinigung hinreichend zuverlässig funktioniert, kann über das schaltbare Ventil 4 ein Teilstrom des Abgases in den zweiten Ast 32 geleitet werden, um das Abgas zu kühlen und auch das das zweite Abgasreinigungssystem 7b auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Alternativ kann nach dem Kaltstart zumindest im Leerlauf bei geringen Drehmomentanforderungen das gesamte Abgas durch den zweiten Ast 32 geführt werden, wodurch sich das zweite Abgasreinigungssystem 7b rasch auf Betriebstemperatur erwärmt. Zusätzlich kann über den Verdichter 9 ein Teil des Abgases über die Leitungen 34 und 36 und den Mischer 35 zirkuliert werden, wobei der Wärmetauscher 50 auf minimale Wärmeabfuhr eingestellt wird. Durch das im Abgasstrang zirkulierende heiße Abgas wird eine noch schnellere Erwärmung des Abgasreinigungssystems 7b erzielt. Damit kann eine bei bekannten Brennkraftmaschinen zur raschen Erwärmung der Abgasreinigungssysteme eingesetzte Sekundärluftpumpe in einigen Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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6 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Auch die sechste Ausführungsform weist eine im dargestellten Beispiel vierzylindrige Brennkraftmaschine 8 auf. Die Abgasleitung 30 wird über ein erstes schaltbares Ventil 4 in einen ersten Ast 31 und einen zweiten Ast 32 aufgeteilt. Beide Äste enthalten jeweils eine zugeordnete Turbine 5 und 6, welche mechanische Antriebsleistung für zugeordnete Verdichter 1 und 9 bereitstellen.
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Die zweite Turbine 6 und der zweite Verdichter 9 sind zusätzlich mit einem ersten elektromagnetischen Wandler 61 verbunden, welcher als Motor oder als Generator betreibbar ist. Bei Betriebszuständen mit hoher Last der Brennkraftmaschine und entsprechend großem Abgasstrom kann an der Ausgangswelle der zweiten Turbine 6 mehr mechanische Leistung zur Verfügung stehen, als zum Betrieb des Verdichters 9 benötigt wird. In diesem Fall kann die zusätzliche mechanische Leistung in elektrische Energie gewandelt werden, welche dem Bordnetz des Fahrzeuges zum Eigenverbrauch zugeführt wird.
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Bei Betriebszuständen mit geringer Last der Brennkraftmaschine und entsprechend geringem Abgasstrom kann der elektromagnetischen Wandler 61 als Motor eingesetzt werden und den Verdichter 9 zusätzlich oder ausschließlich antreiben. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere in Kombination mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendbar, wenn beide Verdichter dazu eingesetzt werden, den Zuluftleitungen 22a und 22b Frischluft zuzuführen.
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7 zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
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In der siebten Ausführungsform der Erfindung wird der zweite Verdichter 9 ausschließlich von einem ersten elektromechanischen Wandler 61 angetrieben, welcher als Motor eingesetzt wird. Dies erlaubt die Kontrolle des zur Kühlung des Abgases eingesetzten Sekundärgasstromes über ein elektrisches Signal der Motorsteuerung, welche die dem Verdichter zugeführte Antriebsleistung regelt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die erste Turbine 5 und der erste Verdichter 1 mit einem zweiten elektromechanischen Wandler 62 verbunden sein, welcher in einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine als Motor und in anderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine als Generator arbeitet.
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Bei Betriebszuständen mit geringer Last der Brennkraftmaschine und entsprechend geringem Abgasstrom kann der elektromagnetischen Wandler 62 als Motor eingesetzt werden und den Verdichter 1 zusätzlich oder ausschließlich antreiben. Damit wird das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen verbessert.
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Bei Betriebszuständen mit hoher Last der Brennkraftmaschine und entsprechend großem Abgasstrom kann an der Ausgangswelle der ersten Turbine 5 mehr mechanische Leistung zur Verfügung stehen, als zum Betrieb des Verdichters 1 benötigt wird. In diesem Fall kann die zusätzliche mechanische Leistung in elektrische Energie gewandelt werden, welche dem Bordnetz 60 des Fahrzeuges zum Eigenverbrauch zugeführt wird. Die elektrische Energie kann in diesen Fällen entweder in einer Batterie 63 gespeichert werden oder zum Antrieb des zweiten Verdichters 9 über den ersten elektromechanischen Wandler 61 verwendet werden, um den Abgasstrom zu kühlen. Da die von der Turbine 5 bereitgestellte Leistung stets genutzt werden kann, kann in diesem Fall auf ein Wastegateventil oder eine variable Turbinengeometrie verzichtet werden. Durch Regelung der dem zweiten elektromechanischen Wandler zugeführten Leistung kann die Drehzahl des Verdichters 1 geregelt werden, so dass sich der Ladedruck in gewissen Grenzen unabhängig vom Abgasstrom regeln lässt.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern Ansprüche oder die Beschreibung ,erste' und ,zweite' Merkmale beschreiben, so dient dies zur Unterscheidung gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
