DE102014216820B4 - Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Zylindern (1a) und mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (3, 4), die jeweils eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3a, 4a) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader (3) als Niederdruckstufe (3) und ein zweiter Abgasturbolader (4) als Hochdruckstufe (4) dient, wobei- jeder Zylinder (1a) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1a) aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,- die Abgasleitungen der Zylinder (1a) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (2b) zusammenführen, wodurch die Abgasleitungen der Zylinder (1a) miteinander in Verbindung stehen und Teil des gemeinsamen Abgasabführsystems (2) sind,- die zweite Turbine (4a) des zweiten Abgasturboladers (4) stromaufwärts der ersten Turbine (3a) des ersten Abgasturboladers (3) angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers (4) stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers (3) angeordnet ist,- eine erste Bypassleitung (5) vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine (4a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromaufwärts der ersten Turbine (3a) in das Abgasabführsystem (2) mündet, wobei ein Steuerelement (5a) zur Bemessung der via Bypassleitung (5) geführten Abgasmenge vorgesehen ist,- eine Abgasrückführung vorgesehen ist,- die erste Turbine (3a) eine zweiflutige Turbine (6) ist, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle (7a) gelagertes Laufrad (7) umfasst,- die zweite Turbine (4a) via Abgasleitung (2a) mit einer ersten Flut (6a) dieser zweiflutigen Turbine (6) verbunden ist, und- die erste Bypassleitung (5) mit beiden Fluten (6a, 6b) der zweiflutigen Turbine (6) verbindbar ist, wobei das Steuerelement (5a) in einer Ruheposition die erste Bypassleitung (5) versperrt, in einer ersten Arbeitsposition die erste Bypassleitung (5) mit der ersten Flut (6a) der zweiflutigen Turbine (6) verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die erste Bypassleitung (5) mit beiden Fluten (6a, 6b) der zweiflutigen Turbine (6) verbindet, bei dem- das Steuerelement (5a) ausgehend von der Ruheposition in die erste Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt,- das Steuerelement (5a) innerhalb der ersten Arbeitsposition mit zunehmender Abgasmenge weiter geöffnet wird, und- das Steuerelement (5a) ausgehend von der ersten Arbeitsposition in die zweite Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
• - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
• - die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zusammenführen, wodurch die Abgasleitungen der Zylinder miteinander in Verbindung stehen und Teil des gemeinsamen Abgasabführsystems sind,
• - die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
• - eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts der ersten Turbine in das Abgasabführsystem mündet, wobei ein Steuerelement zur Bemessung der via Bypassleitung geführten Abgasmenge vorgesehen ist,
• - eine Abgasrückführung vorgesehen ist,
• - die erste Turbine eine zweiflutige Turbine ist, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst,
• - die zweite Turbine via Abgasleitung mit einer ersten Flut dieser zweiflutigen Turbine verbunden ist, und
• - die erste Bypassleitung mit beiden Fluten der zweiflutigen Turbine verbindbar ist, wobei das Steuerelement in einer Ruheposition die erste Bypassleitung versperrt, in einer ersten Arbeitsposition die erste Bypassleitung mit der ersten Flut der zweiflutigen Turbine verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die erste Bypassleitung mit beiden Fluten der zweiflutigen Turbine verbindet.
• Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt und beispielsweise in der US 2007 / 0 079 612 A1 . Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2013 102 612 U1 hat ebenfalls eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer mehrflutigen Turbine zum Gegenstand.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, 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.
• Die Aufladung dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird dabei 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. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Letzteres wird auch als Downsizing bezeichnet.
• Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Brennstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
• In der Regel 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. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.
• Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise 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.
• Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt daher auch zu den gravierendsten Nachteilen der Abgasturboaufladung.
• Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
• Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes in Kombination mit einer Abgasabblasung. Überschreitet der Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgases im Rahmen einer Abgasabblasung mittels Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Die Abgasabblasung führt aber zu Nachteilen bei hohen Drehzahlen.
• Grundsätzlich ist auch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes zusammen mit einer Ladeluftabblasung möglich, wobei diese Variante aufgrund der energetischen Nachteile der Ladeluftabblasung selten zum Einsatz kommt, und die vorhandenen Verdichter an ihre Fördergrenze geraten können und somit die gewünschte Leistung nicht mehr dargestellt werden kann.
• Der Abgasturbolader kann aber auch auf hohe Drehzahlen bzw. große Abgasmengen abgestimmt mit einem großen Turbinenquerschnitt ausgelegt werden. Dabei wird das Ansaugsystem dann in der Weise gestaltet, dass durch Wellenvorgänge bei niedrigen Drehzahlen eine dynamische Aufladung erfolgt. Nachteilig sind dabei der hohe Bauaufwand und das träge Verhalten bei Drehzahländerungen.
• Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine Anpassung der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, so dass eine Regelung der Turbinengeometrie im Hinblick auf niedrige und hohe Drehzahlen bzw. im Hinblick auf niedrige und hohe Abgasmengen erfolgen kann. Die Turbinengeometrie kann aber nicht beliebig, sondern nur in bestimmten Grenzen angepasst werden.
• Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Turbolader verbessert werden, gegebenenfalls in Kombination mit einem mechanischen Lader.
• Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das kombinierte Verdichterkennfeld 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 Teillastbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromabwärts der Hochdruckturbine und stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
• Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten aber darüber hinaus noch weitere Vorteile. Die Leistungssteigerung durch Aufladung kann weiter erhöht werden. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derart aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich, deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern lässt.
• Dies hat auch hinsichtlich der Partikelemissionen Vorteile. Da bei einer Beschleunigung die notwendige Zunahme der den Zylindern zugeführten Luftmasse der erhöhten Kraftstoffmenge infolge der Trägheit der Laufräder nur verzögert erfolgt, wird die Ladeluft bei einem kleineren Hochdruckturbolader nahezu verzögerungsfrei dem Motor zugeführt, und somit werden Betriebszustände mit erhöhter Partikelemission nahezu vermieden.
• Trotz der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte weist auch eine Brennkraftmaschine mit zwei in Reihe angeordneten Turboladern weiteres Verbesserungspotential auf.
• Die Hochdruckturbine kann nicht beliebig klein ausgeführt werden, so dass Konzepte erforderlich sind, die eine Optimierung der Aufladung bei kleinen und kleinsten Abgasmengen ermöglichen.
• Nach dem Stand der Technik wird auch die Niederdruckturbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, um bei maximalen Abgasmengen Abgas an der Niederdruckturbine vorbeizuführen. D. h. es existieren Betriebspunkte, bei denen nicht die Abgasenergie bzw. Abgasenthalpie des gesamten Abgasstroms genutzt wird bzw. genutzt werden kann. Der Hintergrund der Abgasabblasung an der Niederdruckturbine ist, dass die Niederdruckturbine nach dem Stand der Technik nicht auf maximale Abgasmengen ausgelegt werden kann, ohne dass bei mittelgroßen Abgasmengen, wenn die an der Hochdruckturbine vorbeigeführte Abgasmenge mit zunehmendem Abgasstrom zunimmt, eine Verschlechterung des Aufladeverhaltens in Kauf genommen werden müsste.
• Zusammenfassend ist festzustellen, dass auch bei Brennkraftmaschinen mit zwei in Reihe angeordneten Turboladern weitere Maßnahmen erforderlich sind, um das Aufladeverhalten zu verbessern, insbesondere dahingehend, dass das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine im Hinblick auf die im Betrieb stark variierenden Abgasmengen weiter verbessert wird.
• Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der genannten Art aufzuzeigen, mit dem das Aufladeverhalten der Brennkraftmaschine verbessert wird, insbesondere im Hinblick auf die im Betrieb stark variierenden Abgasmengen.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens zwei Zylindern und mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
• - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt,
• - die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zusammenführen, wodurch die Abgasleitungen der Zylinder miteinander in Verbindung stehen und Teil des gemeinsamen Abgasabführsystems sind,
• - die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
• - eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts der ersten Turbine in das Abgasabführsystem mündet, wobei ein Steuerelement zur Bemessung der via Bypassleitung geführten Abgasmenge vorgesehen ist,
• - eine Abgasrückführung vorgesehen ist,
• - die erste Turbine eine zweiflutige Turbine ist, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst,
• - die zweite Turbine via Abgasleitung mit einer ersten Flut dieser zweiflutigen Turbine verbunden ist, und
• - die erste Bypassleitung mit beiden Fluten der zweiflutigen Turbine verbindbar ist, wobei das Steuerelement in einer Ruheposition die erste Bypassleitung versperrt, in einer ersten Arbeitsposition die erste Bypassleitung mit der ersten Flut der zweiflutigen Turbine verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die erste Bypassleitung mit beiden Fluten der zweiflutigen Turbine verbindet. bei dem
• - das Steuerelement ausgehend von der Ruheposition in die erste Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt,
• - das Steuerelement innerhalb der ersten Arbeitsposition mit zunehmender Abgasmenge weiter geöffnet wird, und
• - das Steuerelement ausgehend von der ersten Arbeitsposition in die zweite Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
• Die Niederdruckturbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine zweiflutige Turbine. Dadurch, dass der Abgasstrom in der Niederdruckstufe nicht via einer einzelnen größeren Flut auf das mindestens eine Laufrad geleitet wird, sondern zwei Fluten vorgesehen sind, kann der Abgasstrom via einer einzelnen kleineren Flut auf das mindestens eine Laufrad geleitet werden oder auch auf beide Fluten verteilt werden.
• Die zweite Turbine, d. h. die Hochdruckturbine, ist erfindungsgemäß via Abgasleitung mit einer ersten Flut der zweiflutigen Niederdruckturbine verbunden. Das durch die Hochdruckturbine geführte Abgas wird ausschließlich der ersten Flut der Niederdruckturbine zugeführt. Da diese einzelne Flut einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als die Flut einer einflutigen Niederdruckturbine nach dem Stand der Technik, ist das dem Laufrad der Niederdruckturbine zugeführte Abgas energiereicher. Letzteres verbessert das Aufladeverhalten insbesondere bei kleineren Abgasmengen, d. h. bei niedrigeren Drehzahlen.
• Aber auch zu höheren Abgasmengen hin ist das Aufladeverhalten deutlich verbessert und zwar ebenfalls dadurch bedingt, dass die Niederdruckturbine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine eine zweiflutige Turbine ist, d. h. im Gegensatz zum Stand der Technik mehr als eine Flut, nämlich zwei Fluten aufweist.
• Überschreitet die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge, beispielsweise die maximal zulässige Abgasmenge der Hochdruckturbine, wird eine erste Bypassleitung, welche die Hochdruckturbine umgeht, geöffnet, d. h. ein Steuerelement von einer Ruheposition, in der diese erste Bypassleitung versperrt ist, in eine erste Arbeitsposition überführt. In der ersten Arbeitsposition ist die Bypassleitung mit der ersten Flut der zweiflutigen Niederdruckturbine verbunden. Das an der Hochdruckturbine vorbeigeführte Abgas wird folglich ausschließlich der ersten Flut der Niederdruckturbine zugeführt. Da diese einzelne Flut - wie bereits weiter oben erwähnt - einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als üblich, ist das dem Laufrad der Niederdruckturbine zugeführte Abgas auch bei mittelgroßen Abgasmengen energiereicher als nach dem Stand der Technik.
• Die Ausstattung der Niederdruckturbine mit einer Abblaseleitung ist ebenfalls möglich, aber grundsätzlich und im Gegensatz zum Stand der Technik nicht erforderlich. Die Niederdruckturbine kann auf die maximale Abgasmenge ausgelegt werden, ohne dass bei kleineren bzw. mittelgroßen Abgasmengen eine Verschlechterung des Aufladeverhaltens in Kauf genommen werden müsste.
• Denn neben dem durch die Hochdruckturbine geführten Abgas wird auch das bei mittelgroßen Abgasmengen an der Hochdruckturbine vorbeigeführte Abgas ausschließlich der ersten Flut der Niederdruckturbine zugeführt. Nimmt die Abgasmenge weiter zu, wird die erste Bypassleitung mit beiden Fluten der zweiflutigen Niederdruckturbine verbunden. Hierzu wird das Steuerelement von einer ersten Arbeitsposition in eine zweite Arbeitsposition überführt.
• Die Niederdruckturbine kann auf die maximale Abgasmenge der Brennkraftmaschine ausgelegt werden, da eine Verschlechterung des Aufladeverhaltens zu kleineren Abgasmengen hin, d. h. bei mittelgroßen Abgasmengen, erfindungsgemäß dadurch vermieden wird bzw. vermieden werden kann, dass eine der beiden Fluten der Niederdruckturbine, vorliegend die zweite Flut, deaktiviert wird, um den Gesamtströmungsquerschnitt der beiden Fluten zu verkleinern, wodurch am Eintritt in das Laufrad energiereicheres Abgas bereitgestellt wird.
• Bei einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine korrespondiert die Abgasmenge näherungsweise mit der Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine und zwar abhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung. Bei einem traditionellen Ottomotor mit Quantitätsregelung steigt die Abgasmenge auch bei konstanter Drehzahl mit zunehmender Last an, wohingegen die Abgasmenge bei traditionellen Dieselmotoren mit Qualitätsregelung lediglich drehzahlabhängig ist, weil bei Laständerung und konstanter Drehzahl die Gemischzusammensetzung, nicht jedoch die Gemischmenge variiert.
• Wird eine Brennkraftmaschine mit Quantitätsregelung eingesetzt, bei der die Last über die Menge an Frischgemisch gesteuert wird, bedeutet die erfindungsgemäße Vorgehensweise beim Betreiben dieser Brennkraftmaschine, dass das Steuerelement ausgehend von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt wird, wenn - eine konkrete Drehzahl vorausgesetzt - die Last der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Last übersteigt, da die Abgasmenge bei einer derartigen Brennkraftmaschine mit der Last korrespondiert und die Abgasmenge mit zunehmender Last steigt und mit abnehmender Last sinkt. Zudem wird das Steuerelement ausgehend von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt, wenn die Drehzahl des Ottomotors eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt, da die Abgasmenge unabhängig von der im Einzelfall verwendeten Laststeuerung mit zunehmender Drehzahl steigt und mit abnehmender Drehzahl sinkt.
• Liegt der Brennkraftmaschine hingegen eine Qualitätsregelung zugrunde, bei der die Last über die Zusammensetzung des Frischgemischs gesteuert wird und sich die Abgasmenge nahezu ausschließlich mit der Drehzahl ändert, d. h. proportional zur Drehzahl ist, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschine das Steuerelement lastunabhängig ausgehend von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine eine erste vorgebbare Drehzahl übersteigt, da die Abgasmenge vorliegend mit zunehmender Drehzahl steigt und mit abnehmender Drehzahl sinkt.
• Handelt es sich um eine - insbesondere mittels Abgasturboaufladung - aufgeladene Brennkraftmaschine, muss zusätzlich berücksichtigt werden, dass sich der Ladedruck auf der Einlassseite mit der Last und/oder der Drehzahl ändern kann und Einfluss auf die Abgasmenge hat. Die vorstehenden und vereinfacht dargestellten Zusammenhänge zwischen der Abgasmenge und der Last bzw. Drehzahl gelten dann folglich nicht in dieser allgemeinen Form. Daher stellt das erfindungsgemäße Verfahren ganz allgemein auf die Abgasmenge ab und nicht auf die Last bzw. Drehzahl. Das Steuerelement wird daher ausgehend von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
• Erfindungsgemäß wird das Steuerelement:
• - ausgehend von der Ruheposition in die erste Arbeitsposition überführt, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt,
• - innerhalb der ersten Arbeitsposition mit zunehmender Abgasmenge weiter geöffnet, und
• - ausgehend von einer ersten Arbeitsposition in eine zweite Arbeitsposition überführt, wenn die Abgasmenge eine zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine aufzuzeigen, deren Aufladeverhalten verbessert ist, insbesondere im Hinblick auf die im Betrieb stark variierenden Abgasmengen.
• Erfindungsgemäß ist eine Abgasrückführung vorgesehen. Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. Abgase von der Abgasseite auf die Ansaugseite zurückgeführt, wobei mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei wie folgt: $$x_{AGR}=m_{AGR}/\left(m_{AGR}+m_{Frischluft}\right),$$

  

  wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte - gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte - Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet.
• Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
• Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Steuerelement ausgehend von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge die erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₁ größer ist als diese erste vorgebbare Abgasmenge.
• Die Einführung einer zusätzlichen Bedingung soll einen zu häufigen Wechsel zwischen den Positionen verhindern, insbesondere wenn die Abgasmenge nur kurzzeitig die erste vorgebbare Abgasmenge überschreitet und dann wieder fällt bzw. um den ersten vorgegebenen Wert für die Abgasmenge schwankt, ohne dass das Überschreiten einen Übergang zu einer ersten Arbeitsposition rechtfertigen würde.
• Aus bereits zuvor genannten Gründen sind Verfahrensvarianten vorteilhaft, bei denen das Steuerelement ausgehend von einer ersten Arbeitsposition in eine zweite Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge die zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt und für eine vorgebbare Zeitspanne Δt₂ größer ist als diese zweite vorgebbare Abgasmenge.
• Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die zweite Turbine, d. h. die Hochdruckturbine, deaktiviert wird, wenn die Abgasmenge eine dritte vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Steuerelement eine verschwenkbare Klappe ist.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Klappe ausgehend von der Ruheposition, in welcher die erste Bypassleitung versperrt ist, beim Freigeben der ersten Bypassleitung mittels Verschwenken mit der Abgasströmung, d. h. in Strömungsrichtung, verschwenkt wird. Dann wird die Klappe, falls diese defekt ist, vom Abgasstrom in die Offenstellung geschwenkt, in der die erste Bypassleitung offen ist, und beide Turbinen werden vom Abgas durchströmt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Steuerelement elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Steuerelement in Stufen steuerbar, d. h. schaltbar ist.
• Vorteilhaft sind aber insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Steuerelement stufenlos verstellbar ist.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Steuerelement zumindest in der ersten Arbeitsposition stufenlos verstellbar ist. Die stufenlose Verstellbarkeit des Steuerelements in der ersten Arbeitsposition ist von besonderer Bedeutung, da dann das Steuerelement ausgehend von der Ruheposition mit zunehmender Abgasmenge weiter geöffnet werden kann, d. h. weiter in Richtung Offenstellung verstellt werden kann, so dass einerseits die durch die Hochdruckturbine geführte Abgasmenge im Wesentlichen aufrechterhalten werden kann bzw. wird und andererseits die an der Hochdruckturbine vorbeigeführte Abgasmenge kontinuierlich gesteigert werden kann. Andernfalls könnte es zu stärkeren Drehmomentschwankungen kommen, insbesondere falls sich die durch die Hochdruckturbine geführte Abgasmenge sprunghaft ändert, beispielweise durch stufenweises Verstellen des Steuerelementes.
• Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft sein, bei denen die Hochdruckturbine bei Überschreiten einer bestimmten Abgasmenge deaktiviert wird und das gesamte Abgas durch die Niederdruckturbine geleitet wird, d. h. die Niederdruckturbine als einzige Turbine mit Abgas beaufschlagt wird.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter, weil der erste Verdichter im Rahmen der zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe bildet, wohingegen der zweite Verdichter die bereits vorverdichtete Ladeluft komprimiert und somit die Hochdruckstufe darstellt.
• Aus demselben Grund sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Denn die zweite Turbine dient als Hochdruckturbine, während sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist.
• Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zweiflutige Turbine eine Doppelstromturbine ist, bei der die zwei Fluten - in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse des mindestens einen Laufrades gesehen - aufeinander liegend angeordnet sind und zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts das mindestens eine Laufrad spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
• Eine Doppelstromturbine hat häufig einen im Vergleich zur Zwillingsstromturbine höheren Wirkungsgrad und ein verbessertes Anströmverhalten des Laufrades. Zudem ist die Doppelstromturbine thermisch höher belastbar. Der letztgenannte Vorteil ergibt sich aus der Anordnung der Fluten.
• Eine Doppelstromturbine verfügt über ein Turbinengehäuse, in dem mindestens ein Laufrad auf einer drehbaren Welle gelagert ist. Eine Ausführungsform der Doppelstromturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fluten aufeinander liegend angeordnet sind und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zum Laufrad hin geöffnet sind, weshalb diese Doppelstromturbinen auch häufig als segmentierte Turbinen bezeichnet werden.
• Bei Verwendung einer Doppelstromturbine sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die zweite Turbine via Abgasleitung mit der innenliegenden Flut der Doppelstromturbine verbunden ist. Die innenliegende Flut hat den kleineren Radius um die Drehachse des Laufrades und das kleinere Volumen, gemessen vom Eintrittsbereich in die Turbine bis hin zum Laufrad. Daher hat das von der Hochdruckturbine stammende, d. h. kommende Abgas beim Eintritt in das Laufrad eine höhere Enthalpie, wenn es via innenliegender Flut und nicht via außenliegender Flut auf das Laufrad geleitet wird.
• Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist.
• Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen die zweiflutige Turbine eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten nebeneinander angeordnet sind und das mindestens eine Laufrad zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zwei Fluten bis hin zu dem mindestens einen Laufrad mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind. Die Gehäusewandung des Turbinengehäuses weist laufradseitig ein freies zungenartiges Ende auf, welches vorliegend so nahe wie möglich an das mindestens eine Laufrad heranreicht. Dies maximiert den Trennungsgrad der Fluten. Ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen der Gehäusewandung und dem mindestens einen Laufrad muss verbleiben, damit das Laufrad ungehindert rotieren kann, ohne an der Gehäusewandung zu reiben. Vorliegend sollte dieser Spalt aber so schmal wie möglich ausgeführt werden.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Gehäusewandung eine unbewegliche, fest mit dem Gehäuse verbundene Wand ist. Diese Ausführung der Gehäusewandung gewährleistet, dass die vom heißen Abgas in die Gehäusewandung eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise und ausreichendem Maße in das und via Gehäuse abgeführt wird.
• Vorteilhaft können dabei Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die Gehäusewandung mindestens eine Überströmöffnung aufweist oder eine Perforation aufweist, so dass ein Überströmen bzw. eine Interaktion zwischen den Fluten möglich ist.
• Vorteilhaft sind aus diesem Grunde auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zwei Fluten zumindest abschnittsweise mittels Gehäusewandung voneinander getrennt sind, wobei die Gehäusewandung laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad endet. Eine Interaktion zwischen den Fluten wird vorliegend nicht unterbunden, sondern zugelassen. Die Fluten können stromaufwärts des mindestens einen Laufrades miteinander kommunizieren.
• Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das zungenartige Ende zwecks Veränderung des Zungenabstandes variabel ausgebildet ist, insbesondere zwecks Verkleinerung des Zungenabstandes in Richtung der Laufräder verlängerbar ist.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt. Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen diese zweite Bypassleitung stromabwärts der ersten Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet. Dass die Bypassleitung wieder in das Abgasabführsystem mündet, hat den Vorteil, dass dann das gesamte Abgas einem im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromaufwärts der beiden Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromabwärts der Verdichter.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch beiträgt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
• Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts der beiden Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, vorzugsweise stromaufwärts der Verdichter.
• Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbinen Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbinen bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbinen aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
• Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts der Verdichter mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die den Verdichtern zugeführt und verdichtet wird.
• Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbinen einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im 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.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
• Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere an den momentanen Abgasstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie muss kein Kompromiß bei der Auslegung der Turbine eingegangen werden, um in sämtlichen Drehzahl- bzw. Lastbereichen eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung zu realisieren.
• Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auf sehr kleine Abgasströme und damit auf den unteren Teillastbereich. Folglich können auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. auch bei sehr kleinen Abgasströmen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromabwärts des ersten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Diese Bypassleitung kann der Ladeluftabblasung dienen und kann stromaufwärts des ersten Verdichters wieder in das Ansaugsystem münden, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Frischluft nicht abgeblasen, sondern lediglich zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Frischluftmenge ist ein Absperrelement in der Bypassleitung vorgesehen.
• Diese dritte Bypassleitung kann aber auch zum Ansaugen von Frischluft dienen und zwar in den Fällen, in denen die zweite, kleinere Turbine im Wesentlichen die Verdichterarbeit leistet, und der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Frischluft darstellt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen eine vierte Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des zweiten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des Verdichters wieder in das Ansaugsystem mündet. In dieser Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, welches geöffnet wird, falls der zweite Verdichter deaktiviert werden soll.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler in der Ansaugleitung angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern bzw. der mindestens zwei Zylinder innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers zusammenführen.
• Die Turbinen können dann sehr nah am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe an den Auslassöffnungen der Zylinder, angeordnet werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Abgasenthalpie optimal genutzt und ein schnelles Ansprechverhalten der Turbinen gewährleistet werden kann.
• Die Integration der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf führt des Weiteren zu einer kompakten Bauweise des Zylinderkopfes und damit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit. Zudem kann auf diese Weise an einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass die Krümmer nicht aus thermisch hochbelastbarem und damit kostenintensiven Werkstoffen gefertigt werden müssen.
• Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen Mittel vorgesehen sind, mit denen die zweite Turbine deaktivierbar ist, beispielsweise bei Über-schreiten einer bestimmten Abgasmenge. Dann wird das gesamte Abgas durch die Nieder-druckturbine geleitet und die Niederdruckturbine als einzige Turbine mit Abgas beaufschlagt.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a bis 1d näher beschrieben. Hierbei zeigt:
• 1a schematisch das Abgasabführsystem einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mit dem Steuerelement in der Ruheposition,
• 1b schematisch das Abgasabführsystem der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Steuerelement in einer ersten Arbeitsposition,
• 1c schematisch das Abgasabführsystem der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Steuerelement in einer weiteren ersten Arbeitsposition, und
• 1d schematisch das Abgasabführsystem der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Steuerelement in einer zweiten Arbeitsposition.
• 1a zeigt schematisch das Abgasabführsystem 2 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 mit dem Steuerelement 5a in der Ruheposition. Die vier Zylinder 1a der Brennkraftmaschine 1 (nicht dargestellt) verfügen jeweils über eine Abgasleitung zum Abführen der heißen Verbrennungsgase, wobei die Abgasleitungen der Zylinder 1a unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 2b zusammenführen, wodurch die Abgasleitungen der Zylinder 1a miteinander in Verbindung stehen und Teil des gemeinsamen Abgasabführsystems 2 sind.
• Die Brennkraftmaschine 1 ist mit zwei im Abgasabführsystem 2 in Reihe angeordneten Turbinen 3a, 4a ausgestattet, wobei jede Turbine 3a, 4a zu einem Abgasturbolader 3, 4 gehört, von denen ein erster Abgasturbolader 3 als Niederdruckstufe 3 und ein zweiter Abgasturbolader 4 als Hochdruckstufe 4 dient. Aus diesem Grund ist die erste Turbine 3a auch größer ausgelegt als die zweite Turbine 4a, denn die zweite Turbine 4a dient als Hochdruckturbine 4a, während sich in der ersten Turbine 3a ein Abgasstrom entspannt, der gegebenenfalls infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe 4 einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.
• Es ist eine erste Bypassleitung 5 vorgesehen, die stromaufwärts der zweiten Turbine 4a vom Abgasabführsystem 2 abzweigt und zwar vorliegend vom Abgaskrümmer 2b und stromaufwärts der ersten Turbine 3a wieder in das Abgasabführsystem 2 mündet. Ein Steuerelement 5a dient zur Bemessung der via Bypassleitung 5 geführten Abgasmenge. Als Steuerelement 5a ist eine verschwenkbare Klappe 5b vorgesehen, das zumindest in einer ersten Arbeitsposition stufenlos verstellbar ist.
• Das dargestellte Konzept der in Reihe angeordneten Turbinen 3a, 4a ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine 3a, d. h. die Niederdruckturbine 3a, eine zweiflutige Turbine 6 ist und die zweite Turbine 4a, d. h. die Hochdruckturbine 4a, via Abgasleitung 2a nur mit einer Flut 6a dieser zweiflutigen Turbine 6 verbunden ist, wobei diese eine Flut 6a als erste Flut 6a bezeichnet wird.
• Bei der zweiflutigen Turbine 6 handelt es sich vorliegend um eine Doppelstromturbine 8, bei der die zwei Fluten 6a, 6b, in dem in 1a gezeigten Schnitt senkrecht zur Drehachse 7a des Laufrades 7, aufeinander liegend angeordnet sind und das Laufrad 7 entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen. Folglich verfügt die Doppelstromturbine 8 über eine innenliegende Flut 6a und eine außenliegende Flut 6b; wie aus 1a ersichtlich. Die beiden Fluten 6a, 6b sind mittels Gehäusewandung 9 bis hin zum Laufrad 7 voneinander getrennt und jeweils entlang eines kreisbogenförmigen Segments zum Laufrad 7 hin geöffnet, weshalb es sich bei der dargestellten Doppelstromturbine 8 um eine segmentierte Turbine handelt.
• Die zweite Turbine 4a ist via Abgasleitung 2a mit der innenliegenden Flut 6a der Doppelstromturbine 8 verbunden, welche den kleineren Radius um die Drehachse 7a des Laufrades 7 und das kleinere Volumen aufweist; gemessen vom Eintrittsbereich 10 in die Turbine 3a, 6, 8 bis hin zum Laufrad 7. Daher hat das durch die innenliegende Flut 6a geleitete Abgas beim Eintritt in das Laufrad 7 eine höhere Enthalpie.
• Die die Hochdruckturbine 4a umgehende erste Bypassleitung 5 ist mit beiden Fluten 6a, 6b der Doppelstromturbine 8 verbindbar ist, wobei das Steuerelement 5a in einer Ruheposition die erste Bypassleitung 5 versperrt (siehe 1a), in einer ersten Arbeitsposition die erste Bypassleitung 5 mit der ersten Flut 6a der Doppelstromturbine 8 verbindet (siehe 1b und 1c) und in einer zweiten Arbeitsposition die erste Bypassleitung 5 mit beiden Fluten 6a, 6b der Doppelstromturbine 8 verbindet (siehe 1d).
• Die 1b und 1c zeigen schematisch das Abgasabführsystem 2 der in 1a dargestellten ersten Ausführungsform mit dem Steuerelement 5a in erster Arbeitsposition. 1d zeigt das Abgasabführsystem 2 mit dem Steuerelement 5a in einer zweiten Arbeitsposition. Es sollen kurz die Unterschiede der verschiedenen Positionen, wie dargestellt, erörtert werden. Im Übrigen wird Bezug genommen auf 1a und die dazugehörige Beschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
• Bei der in 1a dargestellten Ruheposition versperrt die als Steuerelement 5a dienende Klappe 5b die erste Bypassleitung 5, so dass das gesamte Abgas der Brennkraftmaschine 1 die Hochdruckturbine 4a durchströmt.
• Überschreitet die Abgasmenge eine vorgebbare Abgasmenge, wird die Klappe 5b - wie in 1b dargestellt - von der Ruheposition in eine erste Arbeitsposition überführt, wodurch die erste Bypassleitung 5 freigegeben, d. h. geöffnet wird. In dieser ersten Arbeitsposition ist die Bypassleitung 5 mit der ersten Flut 6a der Doppelstromturbine 8 verbunden. Nimmt die Abgasmenge weiter zu, wird die erste Bypassleitung 5 durch weiteres Verschwenken der Klappe 5b innerhalb der ersten Arbeitsposition weiter geöffnet, wie in 1c dargestellt.
• Bei nochmaliger weiterer Zunahme der Abgasmenge wird die Klappe 5b durch weiteres Verschwenken in eine zweite Arbeitsposition überführt, in welcher die erste Bypassleitung 5 mit beiden Fluten 6a, 6b der zweiflutigen Niederdruckturbine verbunden ist.
• Vorliegend ist die Hochdruckturbine 4a in den 1c und 1d deaktiviert, wobei das gesamte Abgas durch die Niederdruckturbine 3a geleitet wird. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich, so dass die kleinere Hochdruckturbine 4a auch bei größeren Abgasmengen durchaus zur Generierung des Ladedrucks auf der Einlassseite beitragen kann.
• Bezugszeichenliste

1

aufgeladene Brennkraftmaschine

1a

Zylinder

2

gemeinsames Abgasabführsystem

2a

Abgasleitung

2b

Abgaskrümmer

3

erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe

3a

erste Turbine

4

zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe

4a

zweite Turbine

5

erste Bypassleitung

5a

Steuerelement

5b

Klappe

6

zweiflutige Turbine

6a

erste Flut, innenliegende Flut

6b

zweite Flut, außenliegende Flut

7

Laufrad

7a

Welle, Drehachse des Laufrades

8

Doppelstromturbine

9

Gehäusewandung

10

Eintrittsbereich

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) mit mindestens zwei Zylindern (1a) und mit einem Ansaugsystem zur Versorgung mit Ladeluft und einem Abgasabführsystem (2) zur Abführung des Abgases und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (3, 4), die jeweils eine im Abgasabführsystem (2) angeordnete Turbine (3a, 4a) und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader (3) als Niederdruckstufe (3) und ein zweiter Abgasturbolader (4) als Hochdruckstufe (4) dient, wobei - jeder Zylinder (1a) mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen der Abgase aus dem Zylinder (1a) aufweist und sich an jede Auslassöffnung eine Abgasleitung anschließt, - die Abgasleitungen der Zylinder (1a) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (2b) zusammenführen, wodurch die Abgasleitungen der Zylinder (1a) miteinander in Verbindung stehen und Teil des gemeinsamen Abgasabführsystems (2) sind, - die zweite Turbine (4a) des zweiten Abgasturboladers (4) stromaufwärts der ersten Turbine (3a) des ersten Abgasturboladers (3) angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers (4) stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers (3) angeordnet ist, - eine erste Bypassleitung (5) vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine (4a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt und stromaufwärts der ersten Turbine (3a) in das Abgasabführsystem (2) mündet, wobei ein Steuerelement (5a) zur Bemessung der via Bypassleitung (5) geführten Abgasmenge vorgesehen ist, - eine Abgasrückführung vorgesehen ist, - die erste Turbine (3a) eine zweiflutige Turbine (6) ist, die mindestens ein in einem Turbinengehäuse auf einer drehbaren Welle (7a) gelagertes Laufrad (7) umfasst, - die zweite Turbine (4a) via Abgasleitung (2a) mit einer ersten Flut (6a) dieser zweiflutigen Turbine (6) verbunden ist, und - die erste Bypassleitung (5) mit beiden Fluten (6a, 6b) der zweiflutigen Turbine (6) verbindbar ist, wobei das Steuerelement (5a) in einer Ruheposition die erste Bypassleitung (5) versperrt, in einer ersten Arbeitsposition die erste Bypassleitung (5) mit der ersten Flut (6a) der zweiflutigen Turbine (6) verbindet und in einer zweiten Arbeitsposition die erste Bypassleitung (5) mit beiden Fluten (6a, 6b) der zweiflutigen Turbine (6) verbindet, bei dem - das Steuerelement (5a) ausgehend von der Ruheposition in die erste Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine erste vorgebbare Abgasmenge übersteigt, - das Steuerelement (5a) innerhalb der ersten Arbeitsposition mit zunehmender Abgasmenge weiter geöffnet wird, und - das Steuerelement (5a) ausgehend von der ersten Arbeitsposition in die zweite Arbeitsposition überführt wird, wenn die Abgasmenge eine zweite vorgebbare Abgasmenge übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (5a) eine verschwenkbare Klappe (5b) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (5a) stufenlos verstellbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (5a) zumindest in der ersten Arbeitsposition stufenlos verstellbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (3a) größer ausgelegt ist als die zweite Turbine (4a).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (6) eine Doppelstromturbine (8) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (6) eine Doppelstromturbine (8) ist, bei der die zwei Fluten (6a, 6b) - in einem Schnitt senkrecht zur Drehachse (7a) des mindestens einen Laufrades (7) gesehen - aufeinander liegend angeordnet sind und zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts das mindestens eine Laufrad (7) spiralförmig auf unterschiedlich großen Radien umschließen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (6) eine Zwillingsstromturbine ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiflutige Turbine (6) eine Zwillingsstromturbine ist, bei der die beiden Fluten (6a, 6b) das mindestens eine Laufrad (7) - nebeneinander angeordnet - zumindest entlang eines bogenförmigen Abschnitts spiralförmig auf gleichgroßen Radien umschließen.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Fluten (6a, 6b) bis hin zu dem mindestens einen Laufrad (7) mittels Gehäusewandung (9) voneinander getrennt sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Fluten (6a, 6b) zumindest abschnittsweise mittels Gehäusewandung (9) voneinander getrennt sind, wobei die Gehäusewandung (9) laufradseitig ein freies zungenartiges Ende aufweist und unter Ausbildung eines Zungenabstandes beabstandet zu dem mindestens einen Laufrad (7) endet.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der ersten Turbine (3a) vom Abgasabführsystem (2) abzweigt.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitungen von mindestens zwei Zylindern (1a) innerhalb des Zylinderkopfes unter Ausbildung eines integrierten Abgaskrümmers (2b) zusammenführen.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die zweite Turbine (4a) deaktivierbar ist.

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