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Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 8 und ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
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Grundsätzlich ist es eine Herausforderung der Abgasturboaufladung ein hinreichend schnelles Ansprechverhalten des Abgasturboladers zu erzielen. Ein zu kleiner Abgasturbolader sorgt für ein schnelles Ansprechverhalten, kann allerdings im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich nur begrenzt Frischluft bzw. Verbrennungsluft der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung stellen. Ein großer Abgasturbolader, welcher hinreichend Verbrennungsluft zur Verfügung stellen kann, weist ein schlechtes Ansprechverhalten aufgrund eines hohen Massenträgheitsmoments seines Laufzeugs auf.
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Daher wird zwischenzeitlich eine Kombination zweier Abgasturbolader im Verbrennungskraftmaschinenbau eingesetzt. Diverse Anordnungen der Abgasturbolader zueinander sowie eine Positionierung verschiedener Regelelemente an unterschiedlichen Abzweigungen und Einmündungen eines die beiden Abgasturbolader miteinander fluidisch verbindenden Kanalnetzes sind ausgebildet. Insbesondere wird versucht, zwei traditionelle Aufladeverfahren, die Registeraufladung sowie die 2-stufige-Aufladung derart zu kombinieren, dass ein gewünschtes Betriebsverhalten der Verbrennungskraftmaschine herbeigeführt werden kann.
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So gehen aus den Offenlegungsschriften
DE 10 2011 008 566 A1 ,
DE 10 2011 107 120 A1 und der
EP 2 402 576 A1 sowie der europäischen Patentschrift
EP 1 519 017 B1 Aufladevorrichtungen mit zwei seriell angeordneten Abgasturboladern hervor, deren Turbinen in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine und Verdichter in einem Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine so angeordnet sind, dass in unterschiedlichen Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine ein singulärer, paralleler oder serieller Betrieb der beiden Abgasturbolader realisiert ist. Der Abgasstrang weist einen einzigen Abgaskrümmer auf, der mit der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden ist, dass sämtliche Auslasskanäle der Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgaskrümmer durchströmbar verbunden sind. Das heißt mit anderen Worten, dass Abgas der einzelnen Zylinderkopf bzw. der einzelnen Auslasskanäle zuerst diesen einzigen Abgaskrümmer durchströmt, bevor es in den Abgasstrang entsprechend einer Ventilverschaltung die Turbinen durchflutet.
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Die Patentschrift
DE 10 2008 036 308 B4 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei Abgasturboladern, einem ersten Abgasturbolader und einem zweiten Abgasturbolader. Pro Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine sind mindestens zwei Auslasskanäle, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal der Zylinderkopf ausgebildet, wobei der erste Abgasturbolader durchströmbar mit den ersten Auslasskanälen und der zweite Abgasturbolader durchströmbar mit den zweiten Auslasskanälen verbunden sind. Mit Hilfe eines Schaltventils kann der erste Abgasturbolader auch von die zweiten Auslasskanäle durchströmendem Abgas beaufschlagt werden. Des Weiteren ist eine variable Ventilsteuerung vorgesehen, mit deren Hilfe aufgrund einer Steuerzeitenänderung der mit der variablen Ventilsteuerung ausgebildeten Auslassventile ein entsprechender Beaufschlagungszeitpunkt der entsprechenden Turbine verändert werden kann. Bei einer Umgehung einer der Abgasturbolader wird dieser nicht mehr durchströmt und sein Laufzeug kommt zum Stillstand, so dass bei einer Beaufschlagung mit Abgas aus dem Stillstand heraus sein Massenträgheitsmoment überwunden werden muss. Dies führt zu einem verzögerten Ansprechverhalten.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 400 667 B1 ist eine Aufladeeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Auch hier sind mindestens zwei Auslasskanäle, ein erster Auslasskanal und ein zweiter Auslasskanal der Zylinderkopf ausgebildet, wobei der erste Abgasturbolader durchströmbar mit den ersten Auslasskanälen und der zweite Abgasturbolader durchströmbar mit den zweiten Auslasskanälen verbunden sind. Es ist eine Ventilsteuerung zum Abschalten von Auslassventilen vorgesehen, welche mit dem zweiten Abgasturbolader fluidisch verbunden sind. Allerdings können mit dieser Aufladeeinrichtung nicht beide Abgasturbolader voneinander unabhängig im Registeraufladebetrieb arbeiten. Somit lassen sich hier die beiden Abgasturbolader nicht effizient nutzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine effizient betreibbare Aufladeeinrichtung bereitzustellen. Zusätzlich ist es eine Aufgabe der Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine zu entwickeln, welche ein verbessertes Ansprechverhalten bei gleichzeitig hoher Leistung aufweist. Und es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum effizienten Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird eine Verbrennungskraftmaschine angegeben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Zusätzlich wird ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst einen ersten Abgasturbolader und einen zweiten Abgasturbolader. Es ist ein erster Abgasstrang ausgebildet, in welchem eine erste Turbine des ersten Abgasturboladers durchströmbar aufgenommen ist. Mit Hilfe des ersten Abgasstranges, welcher stromauf der ersten Turbine einen ersten Abgaskrümmer aufweist, der mit einem ersten Auslasskanal eines Zylinderkopfs der Verbrennungskraftmaschine verbindbar ist, ist die erste Turbine ausschließlich mit Abgas austretend aus dem ersten Auslasskanal versorgbar. Der zweite Abgasturbolader ist in einem unabhängig vom ersten Abgasstrang ausgebildeten zweiten Abgasstrang aufgenommen, welcher stromauf der zweiten Turbine einen mit einem zweiten Auslasskanal der Verbrennungskraftmaschine verbindbaren zweiten Abgaskrümmer aufweist. Stromab der ersten Turbine und stromauf der zweiten Turbine ist ein durchströmbarer erster Verbindungskanal zur Versorgung der zweiten Turbine mit aus der ersten Turbine austretendem Abgas ausgebildet. Dieser erste Verbindungskanal weist an einer ersten Abzweigung einen mit dem Verbindungskanal durchströmbar verbundenen ersten Umgehungskanal auf, mittels dessen eine Umgehung der zweiten Turbine möglich ist. Dazu mündet der erste Umgehungskanal an einer ersten Einmündung in einen stromab der zweiten Turbine ausgebildeten Auspuffstrang ein. In diesem ersten Umgehungskanal ist ein zweites Regelventil zum Sperren oder Öffnen des ersten Umgehungskanals angeordnet. Damit die zweite Turbine umgehbar ist, d.h., dass Abgas, welches durch die erste Turbine strömt nicht die zweite Turbine durchströmen kann, weist der erste Verbindungskanal ein erstes Regelventil auf, welches den ersten Verbindungskanal sperren oder öffnen kann.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung ist, dass die in einem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich bei abgeschalteten zweiten Auslassventilen das aus der Verbrennungskraftmaschine ausströmendes Abgas vollständig auf die erste Turbine geführt werden kann und bei mittels des ersten Regelventils geschlossenem ersten Verbindungskanal dieses Abgas die zweite Turbine beaufschlagen kann, so dass ein Laufzeug des zweiten Abgasturboladers bereits in diesem Betriebsbereich eine Rotationsbewegung ausführt und sein Massenträgheitsmoment überwunden werden kann. In einem Volllastbereich dagegen, kann bei einem mittels des ersten Regelventils geöffneten ersten Verbindungskanal die zweite Turbine ausschließlich mit Abgas aus den zweiten Auslasskanälen versorgt werden und somit unabhängig von durch die erste Turbine strömendem Abgas bis an ihre Stopfgrenze betrieben werden. Dadurch ist die vollständige maximale Leistung sowohl der ersten Turbine als auch der zweiten Turbine erzielbar. Arbeiten beide Turbinen bei ihrer maximalen Leistung kann auch deren Verdichter bei maximaler Leistung arbeiten, so dass ein sehr hoher Ladedruck der der Verbrennungskraftmaschine zuführbaren Frischluft erreichbar ist.
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Das bedeutet mit anderen Worten, dass der erste Abgasturbolader in einem niedrigen Drehzahl- und/oder Lastbereich bei seiner ihm inhärente vollen Leistung betrieben werden kann und beide Abgasturbolader im Volllastbereich ebenfalls bei ihrer ihnen inhärenten vollen Leistung betrieben werden können. Somit kann die maximale Leistung des ersten Abgasturboladers im niedrigen Drehzahl und/oder Lastbereich sowie die maximale Leistung der beiden Abgasturbolader im Volllastbereich und/oder bei hohen Drehzahlen vollständig abgerufen werden, so dass die Aufladeeinrichtung für einen effizienten Betrieb ausgelegt ist.
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Damit eine aufgrund der Turbinenarbeit der zweiten Turbine erzeugte Verdichterleistung des zweiten Verdichters des zweiten Abgasturboladers auch im niedrigen Drehzahl und/oder Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden kann, weist die Aufladeeinrichtung eine mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbare Ansaugleitung zur Frischluftzufuhr auf, wobei der erste Verdichter des ersten Abgasturboladers stromab des zweiten Verdichters in der Ansaugleitung angeordnet ist. Das heißt, dass die vom ersten Verdichter angesaugte Frischluft durch den zweiten Verdichter strömt, wobei gleichzeitig, aufgrund der Rotation des zweiten Verdichters, infolge seines Antriebs durch die zweite Turbine, diese Frischluft vorverdichtet wird.
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In einem mittleren Drehzahl- und/oder Lastbereich ist es ausreichend, wenn vornehmlich der zweite Abgasturbolader die Frischluft fördert. Damit keine Strömungsverluste dieser so geförderten Frischluft entstehen, wird diese Frischluft zumindest teilweise am ersten Verdichter vorbeigeleitet mit Hilfe eines dritten Umgehungskanals. Dieser dritte Umgehungskanal ist stromab des ersten Verdichters und stromauf des zweiten Verdichters von der Ansaugleitung abzweigend und stromab des ersten Verdichters in die Ansaugleitung einmündend ausgebildet. Ein Strömungsweg in der Ansaugleitung, welcher zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ausgebildet ist, ist weiterhin geöffnet, damit der erste Verdichter aufgrund seiner Rotation durch die erste Turbine unterdrucksfrei arbeiten kann. Eine vorhandene Verdichterleistung des ersten Verdichters wird genutzt, und die vom ersten Verdichter verdichtete Frischluftmenge stromab des dritten Regelventils der stromab des ersten Verdichters ausgebildeten Ansaugleitung zugeführt.
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Damit auch beide Verdichter unabhängig voneinander und parallel arbeiten können, wie es insbesondere in einem Volllastbereich und/oder bei hohen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine effizient ist, ist zur teilweisen Umgehung des zweiten Verdichters ein zweiter Umgehungskanal ausgebildet. Der zweite Umgehungskanal ist stromauf des ersten Verdichters an einer zweiten Abzweigung von der Ansaugleitung abzweigend und stromab des zweiten Verdichters und stromab der dritten Einmündung sowie stromauf des ersten Verdichters an einer zweiten Einmündung in die Ansaugleitung einmündend ausgebildet. Hierzu ist vorteilhaft ein stromab des zweiten Verdichters und stromauf der zweiten Einmündung in der Ansaugleitung drittes Regelventil ausgebildet und es ist zur Vermeidung eines möglichen Unterdrucks im zweiten Umgehungskanal ein fünftes Regelventil, insbesondere in Form einer Rückschlagklappe angeordnet.
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Grundsätzlich ist mit der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung eine mit Hilfe zweier Abgasturbolader drei Stufen aufweisende Aufladung erreichbar, wobei in jeder der drei Stufen zumindest einer der Abgasturbolader eine bis zu einer Stopfgrenze erzielbaren maximalen Leistung erbringt. Zusätzlich ist aufgrund einer über den gesamten Betriebsbereich ausgebildeten Rotation der Laufzeuge der Abgasturbolader ein Ansprechverhalten der Abgasturbolader wesentlich verbessert, da ihr Massenträgheitsmoment zumindest weitestgehend überwunden ist und eine dem jeweiligen Laufzeug zugeordnete Lagerung, aufgrund einer dauerhaften Rotation ab Betriebsbeginn der Verbrennungskraftmaschine, vorteilhafterweise im Wesentlichen eine Misch- oder Flüssigkeitsreibung aufweist, sofern, wie üblicherweise, Gleitlager zur Lagerung eingesetzt sind.
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Eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Zylinderkopf, wobei der Zylinderkopf pro Zylinder einen Einlasskanal, einen ersten Auslasskanal und einen zweiten Auslasskanal aufweist. Der erste Auslasskanal ist mit Hilfe eines ersten Auslassventils zu öffnen und zu schließen, und wobei der zweite Auslasskanal ist mit Hilfe eines zweiten Auslassventils zu öffnen und zu schließen. Mit Hilfe einer Motorsteuereinheit der Verbrennungskraftmaschine ist eine der Verbrennungskraftmaschine zugeordnete variable Ventilsteuerung ausgebildet zum Variieren von Ventilsteuerzeiten der Ventile sowie zum Abschalten des zweiten Auslassventils, und wobei der Verbrennungskraftmaschine eine Aufladeeinrichtung zugeordnet ist, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist ein effizienter Betrieb. So ist beispielsweise in einem niedrigen Lastbereich, bei welchem eine Abgasmasse im Vergleich zu höheren Lasten nur gering ist, ein Betrieb des ersten Abgasturboladers bei maximaler Leistung herbeizuführen, wobei in diesem Betriebsbereich eine ausreichende Ladeluftmenge der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann, und gleichzeitig kann aufgrund der Durchströmung der zweiten Turbine das Laufzeug des zweiten Turboladers zumindest teilweise sein Massenträgheitsmoment überwinden, sodass bei einer Änderung der Last und/oder der Drehzahl ein so genanntes Turboloch eliminiert oder mindestens reduziert ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:
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1 in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung in einem ersten Betriebsintervall,
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2 in einer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung in einem zweiten Betriebsintervall, und
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3 in einer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung in einem dritten Betriebsintervall.
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Die 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung 1 fur eine Verbrennungskraftmaschine 2 wie beispielsweise einen Dieselmotor oder einen Ottomotor eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist beispielhaft in Form eines 3-Zylinder-Motors ausgebildet. D.h. sie könnte ebenso eine andere Zylinderanzahl haben.
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Ein Zylinder 3 der Verbrennungskraftmaschine 2 weist zwei mit je einem nicht näher dargestellten Einlassventil versehene Einlasskanäle 4 sowie zwei mit je einem nicht näher dargestellten Auslassventil versehene Auslasslasskanäle, einen ersten Auslasskanal 5 und einen zweiten Auslasskanal 6, auf. Zur eindeutigen Differenzierung und Zuordnung der einzelnen Auslasskanäle zu Abgassträngen, wie sie unten beschrieben werden, sind in den Figuren die Auslasskanäle 5, 6 eines jeden Zylinders 3 zusätzlich mit einem I bzw. II gekennzeichnet.
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Des Weiteren sind der Verbrennungskraftmaschine 2 eine nicht näher dargestellte Motorsteuereinheit sowie eine nicht näher dargestellte variable Ventilsteuerung zugeordnet. Mit Hilfe der Motorsteuereinheit werden bspw. Zündzeitpunkte und Einspritzmengen geregelt. Ebenso ist die variable Ventilsteuerung mit Hilfe der Motorsteuereinheit regelbar. D.h. in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter, wie bspw. Drehzahl oder eingespritzte Kraftstoffmenge, kann ein den Ventilen zugeordneter Öffnungs- und/oder Schließzeitpunkt verändert werden. Ebenso kann eine vollständige Ventilabschaltung erfolgen. Bei einer Ventilabschaltung ist der dem Ventil zugeordnete Kanal geschlossen, unabhängig vom Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine 2.
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Die Aufladeeinrichtung 1 umfasst einen ersten Abgasturbolader 7 mit einer in einem ersten Abgasstrang 8 der Verbrennungskraftmaschine 2 angeordneten ersten Turbine 9 und einem in einem Ansaugtrakt 10 der Verbrennungskraftmaschine 2 angeordneten ersten Verdichter 11. Die erste Turbine 9 umfasst ein durchströmbares erstes Turbinengehäuse 12, in welchem ein mit einer ersten Welle 13 des ersten Abgasturboladers 7 drehfest verbundenes erstes Turbinenrad 14 drehbar aufgenommen ist.
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Der erste Verdichter 11 umfasst ein durchströmbares erstes Verdichtergehäuse 15, in welchem ein ebenfalls mit der ersten Welle 13 drehfest verbundenes erstes Verdichterrad 16 drehbar aufgenommen ist. Der erste Verdichter 11 dient dazu, der Verbrennungskraftmaschine 2 verdichtete Luft zu zuführen.
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Daruber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung 1 einen zweiten Abgasturbolader 17, welcher eine in einem zweiten Abgasstrang 18 der Verbrennungskraftmaschine 2 angeordnete zweite Turbine 19 aufweist. Auch die zweite Turbine 19 umfasst ein durchströmbares zweites Turbinengehäuse 20, in welchem ein drehfest mit einer zweiten Welle 21 des zweiten Abgasturboladers 17 verbundenes zweites Turbinenrad 22 drehbar aufgenommen ist. Auch der zweite Abgasturbolader 17 weist einen zweiten Verdichter 23 mit einem durchströmbaren zweiten Verdichtergehäuse 24 auf, in welchem ein mit der zweiten Welle 21 drehfest verbundenes zweites Verdichterrad 25 drehbar aufgenommen ist. Auch mittels des zweiten Verdichters 23 ist der Verbrennungskraftmaschine verdichtete Luft zuzuführen. Der zweite Verdichter 23 ist ebenfalls, wie der erste Verdichter 11 im Ansaugtrakt 10 angeordnet.
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Die ersten Auslasskanäle 5 sind fluidisch, mit anderen Worten durchströmbar mit einem ersten Abgaskrümmer 26 des ersten Abgasstranges 8 verbunden. Der erste Abgaskrümmer 26 ist zur Aufnahme von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 ausgebildet, welches bei einem Öffnen der ersten Auslasskanäle entströmt, und führt dieses Abgas der ersten Turbine 9 zu.
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Die zweiten Auslasskanäle 6 sind fluidisch, mit anderen Worten durchströmbar mit einem zweiten Abgaskrümmer 27 des zweiten Abgasstranges 18 verbunden. Der zweite Abgaskrümmer 27 ist ebenfalls zur Aufnahme von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 ausgebildet, welches bei einem Öffnen der zweiten Auslasskanäle entströmt, und führt dieses Abgases der zweiten Turbine 19 zu.
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Stromab der ersten Turbine 9 und stromauf der zweiten Turbine 19 sind der erste Abgasstrang 8 und der zweite Abgasstrang 18 mit Hilfe eines ersten Verbindungskanals 28 durchströmbar verbunden. Dieser Verbindungskanal 28 verbindet einen nicht näher dargestellten ersten Austrittskanal des ersten Turbinengehäuses 12 mit einem nicht näher dargestellten zweiten Eintrittskanal des zweiten Turbinengehäuses 20, so dass die zweite Turbine 19 von der ersten Turbine 9 zugeführtem Abgas zumindest teilweise durchströmbar ist.
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Damit eine Durchströmung der zweiten Turbine 19 von dem aus der ersten Turbine 9 expandiert entströmenden Abgas teilweise oder vollständig verhindert werden kann, ist ein erster Umgehungskanal 29 stromab des ersten Turbinengehäuses 12 und stromauf des zweiten Turbinengehäuses 20 an einer ersten Abzweigung 30 vom ersten Verbindungskanal 28 abzweigend ausgebildet. Er mündet stromab des zweiten Turbinengehäuses 20 an einer ersten Einmündung 31 in einen Auspuffstrang 32 der Verbrennungskraftmaschine 2 stromauf einer im Auspuffstrang 32 angeordneten Abgasnachbehandlungseinheit 33 ein.
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Der Ansaugtrakt 10 weist die beiden Verdichter 11, 23 auf, wobei in einer Ansaugleitung 34 des Ansaugtraktes 10 der zweite Verdichter 23 stromauf des ersten Verdichter 11 angeordnet ist. Damit der erste Verdichter 11 unabhängig vom zweiten Verdichter 23 mit Hilfe eines stromauf des zweiten Verdichters 23 in der Ansaugleitung 34 angeordneten Luftfilters 35 gefilterte Frischluft ansaugen kann, ist stromab des Luftfilters 35 und stromauf des zweiten Verdichters 23 ein zweiter Umgehungskanal 36 an einer zweiten Abzweigung 37 von der Ansaugleitung 34 abzweigend ausgebildet. Der zweite Umgehungskanal 36 mündet an einer stromauf des ersten Verdichtergehäuses 15 sowie stromab des zweiten Verdichtergehäuses 24 in der Ansaugleitung 34 ausgestalten zweiten Einmündung 38 ein.
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Die Ansaugleitung 34 ist stromab des ersten Verdichters 11 mit einem Ladeluftkühler 39 der Verbrennungskraftmaschine 2 verbunden, welcher zur Kühlung der verdichteten Ansaugluft stromauf der Einlasskanäle 4 angeordnet ist. Somit ist der Verbrennungskraftmaschine 2 verdichtete und gekühlte Luft zur Verbrennung über die Einlasskanäle 4 bei geöffneten Einlassventilen zuführbar. Stromab der dritten Einmündung und stromauf des Ladeluftkühlers 39 ist eine Drosselklappe 48 zu Einstellung einer bestimmten Frischluftmenge ausgebildet.
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Damit vom zweiten Verdichter 23 geförderte und verdichtete Frischluft am ersten Verdichter 11 vorbei geführt werden kann, ist stromauf der zweiten Einmündung 38 und stromab des zweiten Verdichtergehäuses 24 ein dritter Umgehungskanal 40 an einer dritten Abzweigung 41 von der Ansaugleitung 34 abzweigend und stromab des ersten Verdichtergehäuses 15 in die Ansaugleitung 34 an einer dritten Einmündung 42 einmündend ausgebildet.
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Um verschiedene Betriebszustände der Aufladeeinrichtung 1 zu realisieren, sind diverse Regelventile eingesetzt. An der ersten Abzweigung 30 ist ein erstes Regelventil 43 positioniert, mit dessen Hilfe der erste Verbindungskanal 28 geöffnet oder geschlossen werden kann. Ebenso ist an der ersten Einmündung 31 ein zweites Regelventil 44 ausgebildet, mittels dessen ein Abgasaustritt aus dem Umgehungskanal 29 in den Auspuffstrang 32 erfolgen oder verhindert werden kann.
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Ein an der zweiten Einmündung 38 ausgebildetes drittes Regelventil 45 kann Frischluftansaugung des ersten Verdichters 11 aus dem zweiten Umgehungskanal 36 sperren oder freigeben. Des Weiteren kann ein vom zweiten Verdichter 23 geförderter Frischluftmassenstrom mit Hilfe eines an der dritten Abzweigung 41 angeordneten vierten Regelventils 46 direkt in den dritten Umgehungskanal 40 strömen. Oder, ist der dritte Umgehungskanal 40 vom vierten Regelventil 46 an der dritten Abzweigung 41 geschlossen, strömt die durch den zweiten Verdichter 23 geförderte Frischluftmenge durch den ersten Verdichter 11, in welchem sie dessen Verdichtungsverhältnis gemäß zusätzlich verdichtet wird.
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Der erste Verdichter 11 und der zweite Verdichter 23 sind dabei von der jeweils korrespondierenden ersten Turbine 9 bzw. zweiten Turbine 19 antreibbar. Die erste Turbine 9 und die zweite Turbine 19 sind von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 antreibbar, welches sie durchströmt. Mit dem Abgas werden die Turbinenräder 14, 22 beaufschlagt und somit zur Rotation gebracht, so dass uber die erste Welle 13 und die zweite Welle 21 die Verdichterräder 16 bzw. 25 angetrieben werden.
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Die Regelventile 43, 44, 45, 46 können die ihnen zugeordneten Kanäle und Leitungen zwischen zwei Extrempositionen, einer vollständigen Schließposition und einer vollständigen Öffnung je nach Anforderung freigeben. Zur Einstellung sind die Regelventile 43, 44, 45, 46 mit einer nicht näher dargestellten Regel- und Steuerungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 2 verbunden.
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Ferner ist im zweiten Umgehungskanal 36 stromab der zweiten Abzweigung 37 und stromauf der zweiten Einmündung 38 eine selbstregelnde Rückschlagklappe 47 angeordnet.
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Der Verbrennungskraftmaschine 2 ist eine nicht näher dargestellte variable Ventilsteuerung zugeordnet, mit deren Hilfe die zweiten Auslasskanäle 6 in einem bestimmten Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 1 geschlossen gehalten werden können.
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Im Folgenden werden anhand der 1 bis 3 die drei unterschiedlichen mit der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung erzielbaren Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine 2 beschrieben. Für die dargestellten Betriebszustände gilt, dass Kanäle, welche in dem jeweiligen Betriebszustand durchströmt werden, in eine entsprechende Strömungsrichtung zeigende Pfeile aufweisen. Nicht durchströmte bzw. geschlossene Kanäle sind ohne Pfeile dargestellt.
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In 1 ist ein erster Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 1 dargestellt. In diesem Betriebzustand sind die zweiten Auslasskanäle 6 mit Hilfe der variablen Ventilsteuerung vollständig geschlossen. D.h. die Auslasskanäle 6 werden auch in einer Ausschubphase der Verbrennungskraftmaschine 2 nicht geöffnet und das gesamte Abgas entströmt ausschließlich über die ersten Auslasskanäle 5. Somit wird die erste Turbine 9 mit dem Abgas beaufschlagt. Dies hat zur Folge, dass das erste Turbinenrad 14 in Rotation versetzt wird und über die drehfest mit dem ersten Turbinerad 14 und dem ersten Verdichterrad 16 verbundene erste Welle 13 das erste Verdichterrad 16 ebenfalls in Drehung versetzt wird und Frischluft ansaugen kann.
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Das erste Regelventil 43 gibt den ersten Verbindungskanal 28 frei, während das zweite Regelventil 44 den ersten Umgehungskanal 29 sperrt, so dass das gesamte aus der ersten Turbine 9 ausströmende Abgas der zweiten Turbine 19 zugeführt und die zweite Turbine 19 beaufschlagt, so dass das zweite Turbinenrad 22 ebenfalls in Rotation versetzt wird.
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Allerdings ist in diesem ersten Betriebsbereich die Abgasmenge, und der dieser Abgasmenge anliegende Abgasdruck, gerade ausreichend die erste Turbine 9 auf eine entsprechende Förderdrehzahl zu bringen. Somit wird das zweite Turbinenrad 22 von einer durch die erste Turbine 9 bereits entspannten Abgasmenge beaufschlagt, welcher gerade ausreicht, das zweite Turbinenrad 22 in Rotation zu versetzen. Über die drehfest mit dem zweiten Turbinerad 22 und dem zweiten Verdichterrad 25 verbundene zweite Welle 21 wird das zweite Verdichterrad 22 ebenfalls in Drehung versetzt, so dass die durch den zweiten Verdichter 23 strömende Frischluftmenge zumindest eine geringe Druckerhöhung aufweist, bevor sie im ersten Verdichter 11 eine weitere Druckerhöhung erfährt. Allerdings ist ein Laufzeug des zweiten Abgasturboladers 17 in Drehung versetzt, so dass sein Massenträgheitsmoment zumindest teilweise überwunden ist.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Massenträgheitsmoment eines Abgasturboladers aus dem Gewicht seines Laufzeugs bestimmt wird, welches sich zusammensetzt aus dem Verdichterrad, dem Turbinerad und der die beiden Räder miteinander drehfest verbindenden Welle.
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Im Ansaugtrakt 10 fördert der erste Verdichter 11 Frischluft aus dem stromab des ersten Verdichters 11 ausgebildeten Teil der Ansaugleitung 34. Das Rückschlagventil 47 schließt den zweiten Umgehungskanal 36, so dass die gesamte geförderte Frischluftmenge des ersten Verdichters 11 über den zweiten Verdichter 23 strömen kann. Eine Vorverdichtung der Frischluft aufgrund des zweiten Verdichters 23 ist gering. Der dritte Umgehungskanal 40 ist geschlossen, so dass die gesamte angesaugte Frischluft vollständig im ersten Verdichter 11 verdichtet werden kann und nicht teilweise direkt in einen zwischen dem Ladeluftkühler 39 und der dritten Einmündung ausgebildeten Teil der Ansaugleitung 34 mit einem nur geringen, durch den zweiten Verdichter 24 erzeugten Ladedruck gelangt.
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Dieser Betriebszustand kann beispielhaft bei einer niedrigen Last und/oder in einem niedrigen Drehzahlbereich, z. B. bei ca. 1200–2200 min–1 der Verbrennungskraftmaschine 2 eingestellt sein.
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2 zeigt schematisch einen zweiten Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 1. Dieser Betriebszustand ist bevorzugt bei einer mittleren Last und/oder in einem mittleren Drehzahlbereich, z. B. bei ca. 2200–4500 min–1 der Verbrennungskraftmaschine 2 eingestellt. Die im Folgenden näher erläuterte Stellung der Regelventile ist einzustellen, wenn die erste Turbine 9 ihre Stopfgrenze erreicht hat. Dies bedeutet, dass trotz einem erhöhten Abgasmassenstrom die Leistung des ersten Abgasturboladers 7 nicht zu steigern ist. Im Gegenteil, ab der Stopfgrenze kommt es aufgrund des zu großen durch die Turbine strömenden Abgasmassenstromes zu einer Leistungseinbuße des Abgasturboladers.
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In diesem Betriebzustand sind die zweiten Auslasskanäle 6 mit Hilfe der variablen Ventilsteuerung vollständig geöffnet. D.h. Abgas, welches aus den ersten Auslasskanälen 5 strömt, beaufschlagt die erste Turbine 9 und das Abgas, welches durch die zweiten Auslasskanäle 6 strömt, beaufschlagt die zweite Turbine 19. Somit werden sowohl das erste Turbinenrad 14 als auch das zweite Turbinenrad 22 mit Abgas, welches einen in diesem zweiten Betriebsbereich ausgebildeten bestimmten Abgasgegendruck aufweist, angeströmt. Dieser Abgasgegendruck ist gegenüber dem Abgasgegendruck, welcher im ersten Betriebsbereich anliegt, erhöht.
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Das erste Regelventil 43 gibt den ersten Verbindungskanal 28 frei, während das zweite Regelventil 44 den ersten Umgehungskanal 29 sperrt, so dass weiterhin das gesamte aus der ersten Turbine 9 ausströmende Abgas der zweiten Turbine 19 zugeführt wird und die zweite Turbine 19 zusätzlich, neben der aus dem zweiten Abgaskrümmer 27 strömenden Abgas, beaufschlagt.
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Im Ansaugtrakt 10 fördert der erste Verdichter 11 weiterhin Frischluft aus dem stromab des ersten Verdichters 11 ausgebildeten Teil der Ansaugleitung 34. Das Rückschlagventil 47 im zweiten Umgehungskanal 36 ist geschlossen, wobei nun das vierte Regelventil 46 den dritten Umgehungskanal 40 freigibt. Ebenfalls ist das dritte Regelventil 45 weiterhin einen zwischen dem ersten Verdichter 11 und dem zweiten Verdichter 23 ausgebildeten Abschnitt der Ansaugleitung 34 freigebend eingestellt. Das bedeutet, dass die vom zweiten Verdichter 23 angesaugte und verdichtete Ladeluft nur noch teilweise über den ersten Verdichter 11 geleitet wird, so dass das Laufzeug des ersten Abgasturboladers 7 weiterhin eine Rotationsbewegung ausführen kann.
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Der zweite Verdichter 23 fördert in diesem zweiten Betriebszustand die notwendige, der Verbrennungskraftmaschine 2 bereitzustellende Frischluftmenge. Somit ist in diesem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich das zweite Auslassventil 6 abgeschaltet ist und der zweite Abgasturbolader 17 wird von expandiertem Abgas des ersten Abgasturboladers 7 durchströmt.
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In diesem den zweiten Betriebszustand kennzeichnenden mittleren Last- und/oder Drehzahlbereich wird der zweite Abgasturbolader 17 ebenfalls von expandiertem Abgas des ersten Abgasturboladers 7 durchströmt und zusätzlich von aus dem zweiten Auslasskanal 6 strömendem Abgas.
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In 3 ist ein dritter Betriebszustand der Aufladeeinrichtung 1 dargestellt. Dieser Betriebszustand entspricht einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zwei bei Volllast und/oder hohen Drehzahlen, bspw. bei ca. 4500–7000 min–1. Die im Folgenden näher erläuterte Stellung der Regelventile ist einzustellen, wenn die zweite Turbine 19 ebenfalls ihre Stopfgrenze erreicht hat.
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In diesem Betriebzustand sind die zweiten Auslasskanäle 6 mit Hilfe der variablen Ventilsteuerung ebenfalls geöffnet. Im Gegensatz zum ersten Betriebszustand und zum zweiten Betriebszustand versperrt nun das erste Regelventil 43 an der ersten Abzweigung 30 einen Strömungsweg des Abgases durch den ersten Verbindungskanals 28 auf die zweite Turbine 19. Allerdings ist das zweite Regelventil 44 den ersten Umgehungskanal 29 freigebend eingestellt, so dass das durch die erste Turbine 11 strömende Abgas an der zweiten Turbine 19 vorbei in den Auspuffstrang 32 stromab der zweiten Turbine 19 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinheit 33 geleitet wird. In diesem Betriebszustand kann mit Hilfe des ersten Regelventils 43 eine Ladedruckregelung vorgenommen werden.
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Das bedeutet, dass der erste Abgasstrang 10 und der zweite Abgasstrang 18 nun erst im Auspuffstrang 32 fluidisch miteinander verbunden sind. Der gesamte Abgasstrom ist auf beide Abgasturbolader 7, 17 verteilt.
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Das dritte Regelventil 45 ist geschlossen, so dass der Strömungsweg zwischen dem ersten Verdichter 11 und dem zweiten Verdichter 23 gesperrt ist. Das Rückschlagventil 47 ist geöffnet, so dass der erste Verdichter 11 unabhängig vom zweiten Verdichter 23 Frischluft ansaugen und verdichten kann.
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Diese Schaltung entspricht einer Registeraufladung, da beide Abgasturbolader 7, 17 vollständig unabhängig voneinander beaufschlagt werden und vollständig unabhängig voneinander arbeiten. Somit wird im dritten Betriebsbereich, welcher einen Volllast- und/oder hohen Drehzahlbereich zeigt, der zweite Abgasturbolader 17 ausschließlich von aus dem zweiten Auslasskanal 6 strömendem Abgas durchströmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011008566 A1 [0004]
- DE 102011107120 A1 [0004]
- EP 2402576 A1 [0004]
- EP 1519017 B1 [0004]
- DE 102008036308 B4 [0005]
- EP 1400667 B1 [0006]
