DE102014216162A1

DE102014216162A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014216162A1
Application number: DE102014216162.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-08-15
Also published as: DE102014216162B4; CN105370387B; US20160047324A1; US9828922B2; CN105370387A

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine Turbine und einen Verdichter (3) umfasst, wobei der Verdichter (3) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (3e) auf einer drehbaren Welle (3c) gelagerten Laufrad (3d) ausgestattet ist, – einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (2) vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) in das Ansaugsystem (1) mündet, und – einer zusätzlichen Abgasrückführung, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters (3) wieder in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei – das Rückführleitungssystem mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) umfasst, die das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) zumindest abschnittsweise spiralförmig umgeben, wobei von jedem Ringkanal (4, 5) mehrere Kanäle (4a, 5a) ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung (4b, 5b) ansaugseitig mit dem Ansaugsystem (1) strömungstechnisch verbunden sind, – ein erster Ringkanal (4) Kanäle (4a) aufweist, die zumindest ansaugseitig im Wesentlichen radial zur Welle (3c) des Verdichters (3) ausgerichtet sind und damit die Welle (3c) in einer virtuellen Verlängerung schneiden, und – ein zweiter Ringkanal (5) Kanäle (5a) aufweist, die zumindest ansaugseitig in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zur Welle (3c) des Verdichters (3) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
– einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem mündet, und
– einer zusätzlichen Abgasrückführung, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters wieder in das Ansaugsystem mündet.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Häufig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere innermotorische Maßnahmen erforderlich. So dient die Abgasrückführung zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.
In der Praxis führen die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge häufig dazu, dass ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird, wodurch das Turbinendruckverhältnis erhöht werden kann. Dies verschlechtert aber die Aufladung bei hohen Drehzahlen und verschiebt den Drehmomentabfall lediglich hin zu niedrigen Drehzahlen. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung, wobei die Abgasabblasung mittels Ladedruck oder mittels Abgasdruck gesteuert werden kann. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber – wie bereits oben angesprochen – den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Die Pumpgrenze des Verdichters einer Abgasturboaufladung weiter bzw. so weit wie möglich hin zu kleinen Verdichterströmen zu verschieben, ist noch aus anderen Gründen vorteilhaft.
Bei kleinen Verdichterströmen nimmt die Geschwindigkeit der Ladeluftströmung relativ zum Ansaugsystem in einem solchen Umfang ab, dass die Anströmung der rotierenden Laufradschaufeln in einem zu großen Winkel erfolgt und sich die Ladeluftströmung von den tragflächenähnlichen Schaufeln ablöst. Die dadurch hervorgerufenen Druckschwankungen an den Schaufeln führen zu einer erhöhten Geräuschemission und gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln. Weitere negative Effekte, die auftreten können, sind Massenstromschwankungen sowie ein starker Wirkungsgradverlust.
Mit einer variablen Verdichtergeometrie kann diesem Effekt entgegen gewirkt werden. Durch Verstellen der Schaufeln eines stromaufwärts vorgesehenen Leitrades kann auf die Anströmung der rotierenden Laufradschaufeln, d. h. auf den Anströmwinkel, in begrenztem Umfang Einfluss genommen werden, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben wird.
Die Ausstattung eines Verdichters mit einer variablen Verdichtergeometrie ist aber kostenintensiv. Darüber hinaus sind der Einflussnahme mittels variabler Verdichtergeometrie auch Grenzen gesetzt, da ein Verstellen des Leitrades nur in einem gewissen Umfang möglich ist. Zudem erweist sich eine Leiteinrichtung bei größeren Verdichterströmen als Strömungswiderstand und damit als eher hinderlich.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere bei kleinen Verdichterströmen deutlich verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
– einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades in das Ansaugsystem mündet, und
– einer zusätzlichen Abgasrückführung, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters wieder in das Ansaugsystem mündet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– das Rückführleitungssystem mindestens zwei Ringkanäle umfasst, die das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades zumindest abschnittsweise spiralförmig umgeben, wobei von jedem Ringkanal mehrere Kanäle ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung ansaugseitig mit dem Ansaugsystem strömungstechnisch verbunden sind,
– ein erster Ringkanal Kanäle aufweist, die zumindest ansaugseitig im Wesentlichen radial zur Welle des Verdichters ausgerichtet sind und damit die Welle in einer virtuellen Verlängerung schneiden, und
– ein zweiter Ringkanal Kanäle aufweist, die zumindest ansaugseitig in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zur Welle des Verdichters verlaufen.

Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Hochdruck-AGR und mit einer Niederdruck-AGR ausgestattet.
Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem stromabwärts des Verdichters einleitet, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR ein Rückführleitungssystem, das stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Erfindungsgemäß umfasst das Rückführleitungssystem der Niederdruck-AGR mindestens zwei Ringkanäle, von denen jeweils mehrere Kanäle ausgehen, die mit dem Ansaugsystem strömungstechnisch in Verbindung stehen.
Die Ringkanäle sind verschiedenartig ausgebildet. Während die Kanäle des ersten Ringkanals im Wesentlichen radial zur virtuellen Verlängerung der Welle des Verdichters ausgerichtet sind und primär dem Einleiten von Abgas in das Ansaugsystem dienen, sind die Kanäle des zweiten Ringkanals in der Art einer Sekante bzw. einer Tangente ausgerichtet, so dass das aus diesen Kanälen strahlenförmig austretende Abgas einen Wirbel um die Welle des Verdichters ausbildet.
Mit den Kanälen des zweiten Ringkanals kann so, insbesondere bei kleinen Verdichterströmen, Einfluss genommen werden auf die Geschwindigkeit der Ladeluftströmung relativ zum Verdichterlaufrad, d. h. auf den Geschwindigkeitsvektor der Anströmung, wobei das Ausmaß der Einflussnahme mittels der aus den Kanälen austretenden Abgasmenge einstellbar ist. Der Geschwindigkeitsvektor der Ladeluftströmung erhält durch den Abgaswirbel eine zusätzliche Komponente, so dass der Winkel der Anströmung auf die rotierenden Laufradschaufeln des Verdichters verändert werden kann. Im Rahmen der Figurenbeschreibung werden die entsprechenden Geschwindigkeitsdreiecke im Einzelnen erläutert, wobei der erfindungsgemäße Effekt deutlich sichtbar wird.
Einer Ablösung der Ladeluftströmung von den tragflächenähnlichen Schaufeln des Verdichterlaufrades kann entgegen gewirkt werden, wodurch sich eine erhöhte Geräuschemission und eine Beschädigung der Schaufeln vermeiden bzw. vermindern lässt.
Die Pumpgrenze des Verdichters im Verdichterkennfeld lässt sich weiter hin zu kleineren Verdichterströmen verschieben. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist im Vergleich zur Ausstattung des Verdichters mit einer variablen Verdichtergeometrie kostengünstig, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass moderne Brennkraftmaschinen in der Regel ohnehin über eine Abgasrückführung verfügen, welche noch mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Rückführleitungssystems zu versehen ist. Darüber hinaus stellen die Ringkanäle bei größeren Verdichterströmen im Gegensatz zu einer Leiteinrichtung keinen Strömungswiderstand dar.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und deren Aufladeverhalten insbesondere bei kleinen Verdichterströmen deutlich verbessert ist.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die eine zusätzliche Abgasrückführung erfordern können, weshalb erfindungsgemäß zusätzlich eine Hochdruck-AGR vorgesehen ist. Ein Vorteil der Hochdruck-AGR ist, dass ein ausreichend hohes Druckgefälle zur Förderung des Abgases vorliegt und das Abgas keiner Abgasnachbehandlung unterzogen werden muss.
Die Ausrichtung der Kanäle des zweiten Ringkanals in der Art einer Sekante bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die virtuelle Verlängerung jedes Kanals die kurvenähnliche Innenwandung des Ansaugsystems schneidet und beinhaltet insbesondere den Grenzfall, dass die virtuelle Verlängerung eines Kanals tangential zum äußeren Umfang des Verdichterlaufrades verläuft, d. h. in der Projektion eine Tangente bezüglich des Verdichterlaufrades darstellt, d. h. bildet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslaßseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.
Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Ringkanäle benachbart zueinander angeordnet und zumindest abschnittsweise mittels einer Wand voneinander getrennt sind. Eine Nachbarschaft der mindestens zwei Ringkanäle sorgt für ein kompaktes Packaging und schafft die Möglichkeit, die in die Ringkanäle eingeleiteten Abgasmengen mit nur einem Steuerelement einzustellen, d. h. zu dosieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen das Rückführleitungssystem eine Dosiereinrichtung umfasst, mit der stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers entnommenes Abgas auf die mindestens zwei Ringkanäle aufteilbar ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der erste Ringkanal in einer ersten Arbeitsposition abgasseitig verschließbar ist.
Die Kanäle des ersten Ringkanals dienen im Wesentlichen dem Einleiten von Abgas zur Realisierung einer vorgegebenen Abgasrückführrate. Insofern kann es sinnvoll sein, diese Kanäle insbesondere bei kleinen Rückführraten zu verschließen und das gesamte rückzuführende Abgas via zweiten Ringkanal in das Ansaugsystem einzubringen. Dann besteht auch bei kleinen Rückführraten bzw. kleinen rückzuführenden Abgasmengen die Möglichkeit, einen Wirbel um die Welle des Verdichters stromaufwärts des Verdichterlaufrades zu erzeugen.
Nichtsdestotrotz sorgen auch die Kanäle des ersten Ringkanals für eine Ladeluftbewegung im Ansaugsystem und damit für eine Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft, d. h. für eine Homogenisierung der Ladeluft bezüglich Zusammensetzung und Temperatur. Dies ist im Hinblick auf die in den Zylindern ablaufende Verbrennung vorteilhaft, insbesondere bei einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der zweite Ringkanal in einer zweiten Arbeitsposition abgasseitig verschließbar ist.
Mit den Kanälen des zweiten Ringkanals kann insbesondere bei kleinen Verdichterströmen Einfluss genommen werden auf den Geschwindigkeitsvektor der Anströmung. Solange eine solche Einflussnahme aber nicht erforderlich ist, um die Anströmung zu optimieren, kann es sinnvoll sein, diese Kanäle zu verschließen und das gesamte rückzuführende Abgas via ersten Ringkanal in das Ansaugsystem einzubringen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der erste Ringkanal und der zweite Ringkanal in einer dritten Arbeitsposition mit dem Abgasabführsystem verbindbar sind und/oder in einer weiteren Arbeitsposition vom Abgasabführsystem getrennt werden können. Im erstgenannten Fall dient das Steuerelement der Dosiereinrichtung der Aufteilung des stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers entnommenen und rückzuführenden Abgases auf die Ringkanäle. Im letztgenannten Fall wird mittels Steuerelement die Abgasrückführung deaktiviert, d. h. abgeschaltet. Insofern kann das Steuerelement grundsätzlich auch als AGR-Ventil fungieren.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Dosiereinrichtung eine als Steuerelement dienende Klappe aufweist, die verschwenkbar ist. Eine Klappe hat sich bereits als AGR-Ventil als vorteilhaft erwiesen, ist wenig störanfällig und kostengünstig.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der erste Ringkanal stromaufwärts des zweiten Ringkanals angeordnet ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da der zweite Ringkanal, welcher der Erzeugung des Wirbels stromaufwärts des Verdichterlaufrades dient, der verdichternahe, d. h. der dem Verdichter am nächsten gelegene Ringkanal ist. Daher kann der ausgebildete Wirbel nicht von einem anderen stromabwärts angeordneten Ringkanal gestört bzw. wieder aufgelöst werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle des ersten Ringkanals und/oder des zweiten Ringkanals regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens zwei Ringkanäle das Ansaugsystem vollumfänglich umschließen.
Die beiden vorstehenden Ausführungsformen unterstützen sowohl die Ausbildung eines regelmäßigen Wirbels als auch die Durchmischung des rückgeführten Abgases mit der Frischluft, d. h. die Homogenisierung der Ladeluft im Ansaugsystem.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle des zweiten Ringkanals zumindest ansaugseitig – in einer Projektion in Richtung der Welle – tangential zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad verlaufen. Die virtuellen Verlängerungen der Kanäle tangieren den äußeren Umfang des Verdichterlaufrades in der Projektion.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Kanäle des zweiten Ringkanals entsprechend der Drehrichtung des mindestens einen Verdichterlaufrades ausgerichtet sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zumindest die Eintrittsöffnungen der Kanäle des ersten Ringkanals kreisförmig ausgebildet sind.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, bei der das Rückführleitungssystem eine Dosiereinrichtung umfasst, mit der stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers entnommenes Abgas auf die mindestens zwei Ringkanäle aufteilbar ist, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ausgehend von einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem Abgas via Rückführleitungssystem zurückgeführt wird, ein via zweitem Ringkanal in das Ansaugsystem zurückgeführter Abgasanteil vergrößert wird, wenn eine dem Verdichter zuzuführende Ladeluftmenge abnimmt.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Die Pumpgrenze des Verdichters lässt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter hin zu kleinen Verdichterströmen verschieben. Bei kleinen Verdichterströmen wird mittels zweitem Ringkanal Einfluss genommen auf die Anströmung des Verdichterlaufrades, d. h. auf den Geschwindigkeitsvektor der Ladeluftströmung. Es wird ein mehr oder weniger starker Abgaswirbel erzeugt und zwar durch mehr oder weniger rückgeführtes Abgas. Eine Ablösung der Ladeluftströmung von den Schaufeln des Verdichterlaufrades wird vermieden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b, 1c, 2a und 2b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten,
1b das Geschwindigkeitsdreieck ohne AGR,
1c das Geschwindigkeitsdreieck mit AGR via zweitem Ringkanal,
2a schematisch die in 1a dargestellte Ausführungsform, geschnitten senkrecht zur Welle des Verdichters entlang des ersten Ringkanals, und
2b schematisch die in 1a dargestellte Ausführungsform, geschnitten senkrecht zur Welle des Verdichters entlang des zweiten Ringkanals.
1a zeigt schematisch den im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 3 umfasst. Der Verdichter 3 ist ein Radialverdichter 3b, in dessen Gehäuse 3e ein Laufrad 3d auf einer drehbaren Welle 3c gelagert ist.
Der Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 weist einen Eintrittsbereich 3a auf, der koaxial zur Welle 3c des Verdichters 3 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 3 des Abgasturboladers 2 im Wesentlichen axial erfolgt und der Abschnitt des Ansaugsystems 1 stromaufwärts des Verdichters 3 keine Richtungsänderungen aufweist.
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung ausgestattet, welche ein Rückführleitungssystem umfasst, das stromabwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 3 bzw. Verdichterlaufrades 3d in das Ansaugsystem 1 mündet.
Das Rückführleitungssystem verfügt über zwei Ringkanäle 4, 5, die das Ansaugsystem 1 stromaufwärts des Verdichterlaufrades 3d spiralförmig umgeben und vollumfänglich umschließen, wobei von jedem Ringkanal 4, 5 mehrere Kanäle ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung 4b, 5b ansaugseitig mit dem Ansaugsystem 1 strömungstechnisch verbunden sind.
Der zweite Ringkanal 5 dient der Erzeugung eines Wirbels um die Welle 3c des Verdichters 3 bzw. um die virtuelle Verlängerung der Welle 3c und zwar in Drehrichtung der Welle 3c (siehe Doppelpfeil). 1b zeigt das Geschwindigkeitsdreieck ohne AGR, d. h. ohne Wirbel, und 1c das Geschwindigkeitsdreieck mit AGR via zweitem Ringkanal, d. h. mit Wirbel.
Wie aus den 1b und 1c ersichtlich setzt sich der Geschwindigkeitsvektor v_wheel der Anströmung zum Verdichterlaufrad aus dem Geschwindigkeitsvektor v_charge der Ladeluft im Ansaugsystem und dem Vektor v_C der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Verdichterlaufrades zusammen.
Während gemäß 1b eine exakt axiale Ladeluftströmung v_charge vorliegt, erhält der Geschwindigkeitsvektor v_charge der Ladeluft im Ansaugsystem gemäß 1c infolge der Rückführung von Abgas via zweitem Ringkanal eine Komponente in Umfangsrichtung des Verdichterlaufrades. Dadurch vergrößert sich der Winkel α der Anströmung zum Verdichterlaufrad. Vorteilhaft ist dies hinsichtlich der Anströmung der Laufschaufeln des Verdichterlaufrades.
2a zeigt einen Schnitt senkrecht zur Welle 3c des Verdichterlaufrades 3d und entlang des ersten Ringkanals 4 der in 1a dargestellten Ausführungsform. Der erste Ringkanal 4 verfügt über Kanäle 4a, die im Wesentlichen radial zur Welle 3c des Verdichters ausgerichtet sind und damit die Welle 3c in einer virtuellen Verlängerung schneiden.
2b zeigt einen Schnitt senkrecht zur Welle 3c des Verdichterlaufrades 3d und entlang des zweiten Ringkanals 5 der in 1a dargestellten Ausführungsform. Der zweite Ringkanal 5 verfügt über Kanäle 5a, die in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zur Welle 3c des Verdichters verlaufen. Die virtuelle Verlängerung jedes Kanals 5a schneidet die kurvige Innenwandung des Ansaugsystems und tangiert vorliegend den äußeren Umfang des Verdichterlaufrades 3d in der Projektion.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Abgasturbolader
3: Verdichter des Abgasturboladers
3a: Eintrittsbereich des Verdichters des Abgasturboladers
3b: Radialverdichter
3c: Welle des Verdichters des Abgasturboladers
3d: Laufrad des Verdichters des Abgasturboladers
3e: Verdichtergehäuse des Abgasturboladers
4: erster Ringkanal
4a: Kanal des ersten Ringkanals
4b: Eintrittsöffnung
5: zweiter Ringkanal
5a: Kanal des zweiten Ringkanals
5b: Eintrittsöffnung
AGR: Abgasrückführung
α: Winkel der Anströmung zum Verdichterlaufrad
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft bzw. Ladeluft
v_C: Vektor der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Verdichterlaufrades
v_charge: Geschwindigkeitsvektor der Ladeluft im Ansaugsystem
v_wheel: Geschwindigkeitsvektor der Anströmung zum Verdichterlaufrad
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, – mindestens einem Abgasturbolader (2), der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (3) umfasst, wobei der Verdichter (3) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (3e) auf einer drehbaren Welle (3c) gelagerten Laufrad (3d) ausgestattet ist, – einer Abgasrückführung umfassend ein Rückführleitungssystem, das stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (2) vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) in das Ansaugsystem (1) mündet, und – einer zusätzlichen Abgasrückführung, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters (3) wieder in das Ansaugsystem (1) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – das Rückführleitungssystem mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) umfasst, die das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) zumindest abschnittsweise spiralförmig umgeben, wobei von jedem Ringkanal (4, 5) mehrere Kanäle (4a, 5a) ausgehen, die jeweils via Eintrittsöffnung (4b, 5b) ansaugseitig mit dem Ansaugsystem (1) strömungstechnisch verbunden sind, – ein erster Ringkanal (4) Kanäle (4a) aufweist, die zumindest ansaugseitig im Wesentlichen radial zur Welle (3c) des Verdichters (3) ausgerichtet sind und damit die Welle (3c) in einer virtuellen Verlängerung schneiden, und – ein zweiter Ringkanal (5) Kanäle (5a) aufweist, die zumindest ansaugseitig in der Art einer Sekante ausgerichtet sind und damit in einer virtuellen Verlängerung beabstandet zur Welle (3c) des Verdichters (3) verlaufen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) ein Radialverdichter (3b) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) ein Axialverdichter ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (3) des mindestens einen Abgasturboladers (2) einen Eintrittsbereich (3a) aufweist, der koaxial zur Welle (3c) des Verdichters (3) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (3) im Wesentlichen axial erfolgt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) benachbart zueinander angeordnet und zumindest abschnittsweise mittels einer Wand voneinander getrennt sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückführleitungssystem eine Dosiereinrichtung umfasst, mit der stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (2) entnommenes Abgas auf die mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) aufteilbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der erste Ringkanal (4) in einer ersten Arbeitsposition abgasseitig verschließbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der zweite Ringkanal (5) in einer zweiten Arbeitsposition abgasseitig verschließbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung ein Steuerelement aufweist, mit dem der erste Ringkanal (4) und der zweite Ringkanal (5) in einer dritten Arbeitsposition mit dem Abgasabführsystem verbindbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung eine als Steuerelement dienende Klappe aufweist, die verschwenkbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ringkanal (4) stromaufwärts des zweiten Ringkanals (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (4a, 5a) des ersten Ringkanals (4) und/oder des zweiten Ringkanals (5) regelmäßig zueinander beabstandet angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) das Ansaugsystem (1) vollumfänglich umschließen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5a) des zweiten Ringkanals (5) zumindest ansaugseitig in einer Projektion in Richtung der Welle (3c) tangential zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad (3d) verlaufen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5a) des zweiten Ringkanals (5) entsprechend der Drehrichtung des mindestens einen Verdichterlaufrades (3d) ausgerichtet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Eintrittsöffnungen (4b) der Kanäle (4a) des ersten Ringkanals (4) kreisförmig ausgebildet sind.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der das Rückführleitungssystem eine Dosiereinrichtung umfasst, mit der stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (2) entnommenes Abgas auf die mindestens zwei Ringkanäle (4, 5) aufteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem Abgas via Rückführleitungssystem zurückgeführt wird, ein via zweitem Ringkanal (5) in das Ansaugsystem (1) zurückgeführter Abgasanteil vergrößert wird, wenn eine dem Verdichter (3) zuzuführende Ladeluftmenge abnimmt.