DE102015015536A1

DE102015015536A1 - Brennkraftmaschine mit einer Frischluftanlage, mit einer Abgasanlage und mit mindestens einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102015015536A1
Application number: DE102015015536.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Maas; Andreas Grote; Gerald Block
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1, 2, 3, 4) mit einer Frischluftanlage (5), mit einer Abgasanlage (8) und mit mindestens einem Abgasturbolader (11, 12), wobei der mindestens eine Abgasturbolader eine Turbine (13, 16) und einen Verdichter (15, 18) aufweist, wobei die Turbine (13) in der Abgasanlage (8) und der Verdichter (15, 18) in der Frischluftanlage (5) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer solchen Brennkraftmaschine (1, 2, 3, 4).
Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine (1, 2, 3, 4) ist dadurch steigerbar, dass auf die Turbine (13, 16) im Abgasstrom wirkenden Druckpulsationen mittels eines Stellmittels (31 bis 37) in der Stärke und/oder der Anzahl veränderbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 9 zur Steuerung und/oder Regelung einer solchen Brennkraftmaschine.
Über eine Frischgasanlage wird die Brennkraftmaschine mit Frischgas versorgt und das entstehende Abgas wird über eine Abgasanlage abgeleitet. Ein Abgasturbolader weist einen Verdichter und eine Turbine auf, wobei die Turbine in der Abgasanlage und der Verdichter in der Frischluftanlage der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Abgasturbolader nutzt mittels der Turbine den Druck im Abgasstrom. Dies wird als Stauaufladung bezeichnet. In Brennkraftmaschinen, die überwiegend die Stauaufladung zum Antrieb der Turbine verwenden, strömen die Abgase zunächst in ein größeres Volumen, beispielsweise einen entsprechenden Behälter vor der Turbine ein. Die Zuströmgeschwindigkeit zur Turbine ist daher annähernd konstant, was einen guten Wirkungsgrad zur Folge hat. Nachteilig für den Motor kann ein erhöhte Gegendruck in der Abgasanlage sein.
Die Geschwindigkeit des Abgasstromes ist insbesondere nahe der Zylinder nicht konstant sondern es entstehen im Abgasstrom Druckwellen beim Öffnen der Auslassventile. Die Bewegungsenergie des Abgasstroms kann zusätzlich genutzt werden, um die Turbine anzutreiben. Dies wird als Stoßaufladung bezeichnet. Um die Stoßaufladung zu nutzen, wird das Volumen in der Abgasleitung vor der Turbine möglichst klein gehalten, d. h. es werden möglichst enge Leitungen verwendet. Hierbei kann ein Teil der kinetischen Energie der Druckwellen genutzt werden zum Antrieb der Turbine. Im Bereich der maximalen Leistung, bei hohen Drehzahlen kann die Stoßaufladung sich negativ auf die Effizienz auswirken und die Turbine stärker als in einem kontinuierlichen Abgasstrom belasten. Nachteilig ist die sich dauernd ändernde Zuströmgeschwindigkeit des Abgasstromes zur Turbine. Die Schaufelwinkel der Turbine sind für einen bestimmten Geschwindigkeitsbereich ausgelegt, so dass Abweichungen zu Stoßverlusten führen können und der Wirkungsgrad sinkt. Daher wird in der Praxis meist ein konstruktiver Kompromiss in Bezug auf die Gestaltung der Geometrie der Abgasanlage, insbesondere des Abgaskrümmers und des Abgaskrümmervolumens gesucht.
Aus der DE 10 2006 054 043 A1 ist eine gattungsbildende Brennkraftmaschine bekannt. Die Brennkraftmaschine weist eine Frischluftanlage, eine Abgasanlage und einen Abgasturbolader auf. In der Frischluftanlage ist ein Ladeluftkühler angeordnet. Der Abgasturbolader weist einen in der Frischluftanlage stromauf des Ladeluftkühlers angeordneten Verdichter und einen in der Abgasanlage angeordnete Turbine auf. Es ist eine erste Leitung, nämlich eine Hochdruck-AGR-Leitung für eine Hochdruckabgasrückführung vorgesehen. Diese erste Leitung zweigt stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage ab. Die erste Leitung weist ein Hochdruck-AGR-Ventil auf. Die erste Leitung mündet stromabwärts des Ladeluftkühlers in die Frischluftanlage. Ferner ist eine zweite Leitung, nämlich eine Niederdruck-AGR-Leitung für eine Niederdruckabgasrückführung vorhanden. Diese zweite Leitung zweigt stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers von der Abgasanlage ab. Die zweite Leitung weist ein Niederdruck-AGR-Ventil auf. Die zweite Leitung mündet stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers in die Frischluftanlage. Eine Abgasklappe ist stromabwärts der Abzweigung der Niederdruck-AGR-Leitung angeordnet. In der Niederdruck-AGR-Leitung ist wenigstens ein Differenzdrucksensor angeordnet, der eine Druckdifferenz zwischen einem Ort stromaufwärts und einem Ort stromabwärts des Niederdruck-AGR-Ventils bestimmt. Die Abgasklappe ist damit stromabwärts der Turbine und stromabwärts des Abzweigs der Hochdruck-AGR-Leitung in der Abgasanlage angeordnet. In der Frischluftanlage ist in Strömungsrichtung gesehen der Verdichter, der Ladeluftkühler eine Regelklappe und ein Schaltsaugrohr angeordnet. Die Regelung des rückgeführten Abgasmassenstromes erfolgt mittels der Abgasklappe und den beiden AGR-Ventilen. Die Brennkraftmaschine kann dabei wahlweise ohne Abgasrückführung, wahlweise mit Hochdruck- oder Niederdruckabgasführung oder gleichzeitig mit Hochdruckabgasrückführung und Niederdruckabgasrückführung betrieben werden. Mit Hilfe der Abgasklappe und des Niederdruck-AGR-Ventils vor den Verdichter wird der rückgeführte Niederdruckabgasrückführmassenstrom zwischen dem Luftmassenmesser und dem Verdichter der Frischluftanlage zugeführt. Hierbei wird zunächst nur über das Niederdruck-AGR-Ventil gearbeitet, solange ein ausreichendes Druckgefälle zur Förderung des Niederdruck-AGR-Massenstroms vorhanden ist. Ist dies nicht mehr der Fall, wird zusätzlich die Abgasklappe angestellt, um das Druckgefälle über das Niederdruck-AGR-Ventil zu erhöhen. Das rückgeführte Abgas über die Niederdruck-AGR-Leitung ist dabei nahezu pulsationsfrei. Die Abgasklappe wird dabei in Schließrichtung betätigt, um den Volumenstrom über die Niederdruck-AGR-Leitung zu regeln. Bei dieser Ausgestaltung ist das Hochdruck-AGR-Ventil am Ende der Hochdruck-AGR-Leitung nahe der Zuführstelle der Frischgasanlage angeordnet. Das Volumen der Hochdruck-AGR-Leitung dient somit als Totvolumen, was die Stoßaufladung verringert.
Aus der EP 2 647 807 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und mit einem Steuergerät bekannt. Der Abgasturbolader weist eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie auf. Die Turbine weist verstellbare Leitschaufeln auf, wobei durch Verstellen der Leitschaufeln die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine angepasst werden kann, um den Ladedruck anzupassen. Die variablen Leitschaufeln werden mittels eines Stellmechanismus geschwenkt, wobei der Stellmechanismus in einer Verbindungskammer zwischen dem Turbinengehäuse und einem zentralen Gehäuse angeordnet ist, wobei das zentrale Gehäuse eine Verbindungswelle zwischen dem Verdichter und der Turbine umschließt. Es ist der Einsatz solcher Abgasturbolader sowohl für Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren bekannt. Wenn der Abgasmassenstrom ansteigt, führt dies zu Verwirbelungen stromabwärts der Leitschaufeln. Beispielsweise können solche Wirbel durch das Model eines Rankine-Wirbels beschrieben werden. Diese Wirbel weisen eine Druckpulsation auf, wobei die Frequenz der Druckpulsation proportional zu der Durchflussrate des Abgasstroms ist. Wenn nun diese Druckpulsationen durch eine geometriebedingte Resonanz in dem Turbinengehäuse und den Abgasleitungen verstärkt wird, so kann dies zu einer ungewollten Geräuschbelastung führen. Das Steuergerät steuert nun die Durchflussrate durch die Turbine derart, dass die Durchflussrate angepasst wird, sobald die Durchflussrate in einem Resonanzbereich der Druckpulsation liegt. Die Durchflussrate wird dadurch angepasst, dass entweder der Öffnungsgrad einer Drosselklappe, der Öffnungsgrad eines AGR-Ventils und/oder die Stellung der Leitschaufeln verändert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Brennkraftmaschine derart auszugestalten und weiterzubilden, so dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigerbar ist.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die auf die Turbine im Abgasstrom wirkenden Druckpulsationen sind mittels eines Stellmittels in der Stärke und/oder der Anzahl veränderbar. Die auf die Turbine wirkenden Druckpulsationen im Abgasstrom sind mittels des Stellmittels in der Amplitude und/oder der Anzahl veränderbar. Das Stellmittel kann insbesondere genutzt werden, um in einem unteren oder mittleren Drehzahlbereich die Turbinenleistung mittels Stoßaufladung zu erhöhen. Hierbei ist vorzugsweise die Stärke und damit die Amplitude und/oder die Anzahl der auf die Turbine wirkenden Druckpulsationen größer als in einem höheren Drehzahlbereich. Bei hohen Drehzahlen, insbesondere im Bereich der maximalen Leistung, wird der Effekt der Stoßaufladung mittels des Stellmittels reduziert, wodurch die Effizienz positiv beeinflusst wird und die Turbine weniger belastet wird, da ein kontinuierlicher Abgasstrom der Turbine zugeführt wird. Eine auf die Turbine wirkende Stoßaufladung ist mittels des Stellmittels regelbar und/oder steuerbar. Es können mehrere Stellmittel vorhanden sein. Das Stellmittel ist insbesondere als Abgasklappe ausgebildet. Die Abgasklappe ist stufenlos regelbar. Die Abgasklappe kann auch als Resonanzklappe bezeichnet werden. In alternativer Ausgestaltung könnte das Stellmittel als Ventil, beispielsweise als elektromagnetisch betätigtes Ventil, ausgebildet sein.
Mittels des Stellmittels ist insbesondere ein stromaufwärts der Turbine angeordnetes oder ausgebildetes Resonanzvolumen mit der Abgasanlage verbindbar oder absperrbar. Durch Öffnen des Stellmittels kann das Resonanzvolumen zugeschaltet werden oder durch Schließen des Stellmittels kann das Resonanzvolumen von der Turbine abgekoppelt werden kann. Hierdurch können die auf die Turbine wirkenden Druckpulsationen entweder abgeschwächt werden, indem das Resonanzvolumen zur Pufferung zugeschaltet wird, oder unmittelbar an die Turbine weitergeleitet werden, indem das Resonanzvolumen mittels des Stellmittels abgesperrt wird.
Es gibt nun unterschiedliche Möglichkeiten, ein oder mehrere solcher Stellmittel anzuordnen und/oder auszugestalten. Das Resonanzvolumen ist vorzugsweise durch zumindest einen Teil einer Hochdruck-AGR-Strecke gebildet, wobei die Hochdruck-AGR-Strecke an einer Entnahmestelle von der Abgasanlage abzweigt und an einer Einleitstelle in die Frischluftanlage mündet. In dieser Ausgestaltung ist das Stellmittel derart in einer Abgasrückführstrecke – kurz AGR-Strecke genannt – angeordnet, so dass mittels des Stellmittels die AGR-Strecke als Resonanzvolumen wahlweise durch Öffnen des Stellmittels zugeschaltet werden kann oder durch Schließen des Stellmittels von der Turbine abgekoppelt werden kann. Die AGR-Strecke ist als Hochdruck-AGR-Strecke ausgebildet.
Hierzu ist das Stellmittel insbesondere nahe an der Entnahmestelle angeordnet, um das Gesamtvolumen zwischen den Auslassventilen und der Turbine bei geschlossenem Stellmittel möglichst klein zu halten und so die Stoßaufladung gut nutzen zu können. Das Stellmittel ist vorzugsweise näher an der Entnahmestelle als an der Einleitstelle angeordnet, wobei stromabwärts des Stellmittels ein Hochdruck-AGR-Ventil in der Hochdruck-AGR-Strecke angeordnet ist. Das Volumen zwischen der Entnahmestelle auf der Abgasseite bis zu einem AGR-Kühler kann als Resonanzvolumen genutzt werden. Die Abzweigung liegt stromaufwärts der Turbine. Mittels des Resonanzvolumen ist es möglich, die Druckstöße der Auslassvorgänge teilweise oder auch gänzlich abzupuffern und die Beaufschlagung der Turbine teilweise stoßfrei bis hin zu gänzlich stoßfrei, nämlich kontinuierlich zu gestalten.
Für die Betriebspunkte, in denen die Stoßaufladung gewünscht ist, wird die Resonanzklappe geschlossen. Hierdurch ist die Hochdruck-AGR-Strecke gesperrt, so dass kein Hochdruck-AGR-Betrieb möglich ist. In bevorzugter Ausgestaltung ist daher ferner eine Niederdruck-AGR-Strecke (ND-AGR-Strecke) vorhanden, die hinter der Turbine abzweigt. Über diese Niederdruck-AGR-Strecke kann ein AGR-Betrieb realisiert werden, wenn die Resonanzklappe beziehungsweise Abgasklappe zur Steuerung des Resonanzvolumens geschlossen ist. Für die anderen Betriebspunkte, bei denen teilweise oder zusätzlich eine stoßfreie Beaufschlagung der Turbine erfolgt, gibt die angesteuerte Resonanzklappe den Zugang zur Hochdruck-AGR-Strecke (HD-AGR-Strecke) soweit frei, um die HD-AGR-Strecke zumindest zum Teil als effektives Resonanzvolumen zu nutzen, so dass sich der gewünschte Grad an Stoßfreiheit an der Turbinen einstellt.
Die Regelung des AGR-Massenstroms wird von einem HD-AGR-Ventil (Hochdruckabgasrückführventil) vorgenommen, wobei dieses HD-AGR-Ventil vorzugsweise stromabwärts der Resonanzklappe und vorzugsweise stromabwärts eines AGR-Kühlers in der HD-AGR-Strecke angeordnet ist. Die HD-AGR-Strecke entnimmt das Abgas vor der Turbine und leitet es wahlweise vor oder nach dem Verdichter auf der Frischluftseite in die Frischluftanlage ein. Vorzugsweise erfolgt die Einleitung einer solchen Hochdruck-AGR-Strecke nach dem Verdichter. Innerhalb der HD-AGR-Strecke befinden sich in Strömungsrichtung, nämlich von der Abgasseite kommend die Resonanzklappe, der AGR-Kühler und das HD-AGR-Ventil.
Ferner kann das Stellmittel in einer Ausgestaltung zum Verbinden und Trennen eines Totvolumens mit der Abgasanlage genutzt werden. Das Totvolumen ist dabei an einer Verbindungsstelle zwischen den Zylindern und der Turbine mit der Abgasanlage verbunden. Das Totvolumen weist vorzugsweise lediglich eine Verbindungsstelle zu Abgasanlage auf und wird nicht vom Abgasstrom durchströmt, ist aber mit dem Abgastrom über das Stellmittel verbindbar. Dies ermöglicht es, dass das regelbare Resonanzvolumen nicht Teil der AGR-Strecke ist. Dies hat den Vorteil, dass ein AGR-Betrieb auch bei einer geschlossenen Stellmittel möglich ist. Ferner kann in einer weiteren Ausgestaltung dieses schaltbare beziehungsweise regelbare Totvolumen vorhanden sein, ohne dass eine Hochdruck-AGR und/oder ohne eine Niederdruck-AGR vorhanden sind.
Die Erfindung kann für eine Vielzahl von Motorbauarten mit unterschiedlicher Zylinderzahl und unterschiedlicher Zylinderanordnung genutzt werden. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise sechs Zylinder aufweisen, wobei jeweils die Hälfte der Zylinder jeweils in einen separaten Abgasstrang das Abgas ausstoßen. Die sechs Zylinder können ferner zwei Frischgasstränge aufweisen, wobei der jeweils einer Zylindergruppe zugeordnete Frischgasstrang und jeweils einer Zylindergruppe zugeordnete Abgasstrang über einen gemeinsamen Abgasturbolader verfügen. Hinter den beiden Verdichtern kann die Frischluftzufuhr in eine gemeinsame Leitung münden, wobei in diese gemeinsame Leitung ebenfalls die HD-AGR-Strecken münden. Von dieser gemeinsamen Leitung aus verzweigen anschließend die Frischluftzufuhren zu den beiden Zylindergruppen und schließlich zu den einzelnen Zylindern.
Eine weitere Ausgestaltung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mehr als einem Abgasturbolader, insbesondere mit zwei, drei oder vier Abgasturboladern. Dabei erfolgt die Beaufschlagung der Turbinen der Abgasturbolader gruppenweise, beispielsweise bankweise, so kann mittels einer schaltbaren Verbindungsleitung zwischen den beiden Abgasbänken die Anzahl der Auslassstöße pro Arbeitsspiel auf die Turbine vergrößert oder verkleinert werden. Durch eine Vergrößerung der Anzahl der Auslassstöße und damit durch eine Vergrößerung der Anzahl der Druckpulsationen kann dies zu einem verbesserten Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen führen. Wenn beispielsweise eine Brennkraftmaschine sechs Zylinder aufweist, wobei jeweils drei Zylinder in einen eigenen Abgasstrang ausstoßen und jeden dieser beiden Abgasstränge eine Turbine zugeordnet ist, so ist nun eine Verbindungsleitung zwischen diesen beiden Abgassträngen vorgesehen, wobei diese Verbindungsleitung zwischen den Zylindern und der jeweiligen Turbine abzweigt. Diese Verbindungsleitung ist mittels der Abgasklappe offenbar und/oder schließbar. Diese Abgasklappe kann als Schaltklappe bezeichnet werden. Wenn die Verbindungsleitung geöffnet ist, so stoßen nun nicht mehr drei Zylinder auf eine Turbine aus, sondern sechs Zylinder, was zu einer Verdoppelung von drei auf sechs Stößen führt. Die Anzahl der Druckpulsationen ist so verdoppelt.
Die Verbindungsleitung stellt allerdings ein zusätzliches Volumen dar. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Volumen der Verbindungsleitung klein, um möglichst den Effekt der der Vergrößerung der Anzahl der Auslassstöße nicht durch das zusätzliche Resonanzvolumen der Verbindungsleitung zu kompensieren. Daher ist die Verbindungsleitung vorzugsweise kurz gehalten. Der geometrische Ausgestaltung der Verbindungsleitung ist jedoch durch die Bauweise des Motors und insbesondere der Abgaskrümmer Grenzen gesetzt. In Ausgestaltungen, in denen die Verbindungsleitung als Resonanzvolumen signifikant beitragen kann, ist vorzugsweise die Verbindungsleitung nahe der Verzweigungsstellen mittels entsprechender Stellmittel absperrbar und offenbar. Hierzu können in einer Ausgestaltung zwei Schaltklappen an den Enden der Verbindungsleitung vorhanden sein, mittels der die Verbindungsleitung öffenbar und schließbar ist. Das Öffnen der Verbindungsleitung führt dazu, dass mehr Auslassstöße die Turbinen erreichen, aber zusätzlich die Stoßaufladung durch die Pufferwirkung der offenen Verbindungsleitung reduziert ist.
Die Erfindung wird ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 gelöst. Das Verfahren dient zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine mit einer Frischluftanlage, mit einer Abgasanlage, und mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader eine Turbine und einen Verdichter aufweist, wobei die Turbine in der Abgasanlage und der Verdichter in der Frischluftanlage angeordnet ist. Es ist nun besonders vorteilhaft, dass auf die Turbine im Abgasstrom wirkenden Druckpulsationen mittels eines Stellmittels in der Stärke und/oder der Anzahl verändert werden.
In einem ersten, unteren Drehzahlbereich wird der Effekt der Stoßaufladung mittels des Stellmittels erhöht und in einem zweiten, höheren Drehzahlbereich wird der Effekt der Stoßaufladung mittels des Stellmittels reduziert. Dies vermeidet bei hohen Drehzahlen Stoßverluste und verbessert das Ansprechverhalten bei niedrigeren Drehzahlen.
In dem zweiten, höheren Drehzahlbereich mittels des Stellmittels kann ein stromaufwärts der Turbine angeordnetes oder ausgebildetes Resonanzvolumen mit der Abgasanlage verbunden werden und in dem ersten, unteren Drehzahlbereich kann das Resonanzvolumen mittels des Stellmittels von der Abgasanlage fluidtechnisch abgetrennt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Druckpulsationen in dem höheren Drehzahlbereich durch Öffnen des Resonanzvolumens abgepuffert werden und in dem niedrigeren Drehzahlbereich die Druckpulsationen im Abgasstrom nicht mittels des Resonanzvolumen abgeschwächt, sondern direkt zur Turbine geleitet werden, um das Ansprechverhalten zu verbessern.
Ferner können mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sein, wobei die Turbinen der Abgasturbolader von separaten Abgassträngen gespeist werden, wobei stromaufwärts der Turbinen die Abgasstränge über eine Verbindungsleitung mittels des Stellmittels wahlweise verbunden werden oder getrennt werden können. Durch Öffnen des Stellmittels und damit durch Öffnen der Verbindungsleitung wird die Anzahl der auf die Turbine wirkenden Auslassstöße vergrößert. Durch Schließen des Stellmittels und damit durch Schließen der Verbindungsleitung wird die Anzahl der auf die Turbine wirkenden Auslassstöße verringert. Hierdurch werden Stoßverluste verringert und das Ansprechverhalten und/oder die Effizienz ist verbessert.
Die eingangs genannten Nachteile sind daher vermieden und entsprechende Vorteile sind erzielt.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1 in einer stark schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einer HD-AGR-Strecke, wobei die HD-AGR-Strecke zumindest teilweise als Resonanzvolumen genutzt wird,
2 in einer schematischen Darstellung eine zweite Brennkraftmaschine mit einer HD-AGR-Strecke, wobei ein zusätzliches, mit einem Stellmittel zuschaltbares Totvolumen vorhanden ist,
3 in einer schematischen Darstellung eine dritte Brennkraftmaschine ohne eine HD-AGR-Strecke, wobei ebenfalls wie in 2 ein zuschaltbares Totvolumen vorhanden ist, und
4 in einer stark schematischen Darstellung eine vierte Brennkraftmaschine mit zwei Abgasturboladern und mit zwei zu den jeweiligen Turbinen führenden Abgassträngen, wobei die beiden Abgasstränge über ein Stellmittel, nämlich eine Schaltklappe und eine entsprechende Verbindungsleitung miteinander verbindbar sind.
In den 1 bis 4 sind unterschiedliche Brennkraftmaschinen 1 bis 4 zu erkennen. Die Brennkraftmaschinen 1 bis 4 können als Benzinmotor oder als Dieselmotor ausgebildet sein. Die Brennkraftmaschinen 1 bis 4 weisen jeweils eine Frischluftanlage 5, mindestens einen Zylinder 6, 7 und eine Abgasanlage 8 auf. Die Frischluftanlage 5 versorgt den mindestens einen Zylinder 6, 7 mit Frischluft, das Abgas wird von den Zylindern 6, 7 über die Abgasanlage 8 abgeführt. Die Zylinderanzahl und die Zylinderanordnung kann unterschiedlich ausgestaltet sein. In der darstellten Ausgestaltung sind sechs Zylinder vorhanden, wobei jeweils drei Zylinder 6 und drei Zylinder 7 bankweise zusammengefasst sind. Die Brennkraftmaschine 1 bis 4 kann als 6-Zylinder-Boxermotor ausgebildet sein. Den Zylindern 6 ist ein Abgasstrang 9 und den Zylindern 7 ist ein Abgasstrang 10 zugeordnet. Die beiden Abgasstränge 9, 10 bilden zusammen die Abgasanlage 8. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung lässt sich auch auf andere Motortypen übertragen, die sich in Anzahl und Anordnung der Zylinder von einem 6-Zylinder-Boxermotor unterscheiden.
Die Brennkraftmaschinen 1 bis 4 weisen vorzugsweise zwei Abgasturbolader 11, 12 auf. Der Abgasturbolader 11 weist eine im Abgasstrang 9 angeordnete Turbine 13, eine Welle 14 und einen Verdichter 15 auf. Die Turbine 13 treibt über die Welle 14 den Verdichter 15 in der Frischluftanlage 5 an. Der Abgasturbolader 12 weist eine Turbine 16, eine Welle 17 und einen Verdichter 18 auf.
Die Frischluftanlage 5 weist zunächst zwei separate Frischluftstränge 19, 20 auf, wobei der Frischluftstrang 19 den Verdichter 15 mit Frischluft versorgt und der Frischluftstrang 20 den Verdichter 18 mit Frischluft versorgt. Stromabwärts der Verdichter 15, 18 weist die Frischluftanlage 5 einen Frischluftstrang 21 auf, wobei die Frischluft der beiden Frischluftstränge 19, 20 hier in diesem gemeinsamen Frischluftstrang 21 hinter den Verdichtern 15, 18 zusammengeführt wird. Von dem gemeinsamen Frischluftstrang 21 verzweigt die Frischluftanlage 5 schließlich zu den Zylinderbänken und schließlich zu den einzelnen Zylindern 6, 7.
Die Brennkraftmaschinen 1, 2 (vgl. 1, 2) weisen eine Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 auf. Die Hochdruck-AGR-Strecke 22 zweigt an einer Entnahmestelle 24 von dem Abgasstrang 9 ab. Die Hochdruck-AGR-Strecke 23 zweigt an einer Entnahmestelle 25 von dem Abgasstrang 10 ab. Die beiden Entnahmestellen 24, 25 liegen jeweils zwischen den Zylindern 6 beziehungsweise 7 und der jeweils zugehörigen Turbine 13, 16. Zumindest ein Teil des Abgasstroms kann nun über die Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 zurück in die Frischluftanlage 5 eingeleitet werden. Die Hochdruck-AGR-Strecke 22 und die Hochdruck-AGR-Strecke 23 münden dabei an einer Einleitstelle 26 in den Frischluftstrang 21. Die Einleitstelle 26 ist stromabwärts der beiden Verdichter 15, 18 angeordnet. In alternativer Ausgestaltung kann die Einleitstelle 26 auch stromaufwärts der Verdichter 15, 18 angeordnet oder ausgebildet sein.
In den Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 ist vorzugsweise jeweils ein Hochdruck-AGR-Ventil 27, 28 angeordnet. Vorzugsweise ist in der Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 jeweils ein AGR-Kühler 29, 30 angeordnet. Die beiden AGR-Kühler 29, 30 können entweder baulich getrennt oder durch eine Baueinheit gebildet sein. Vorzugsweise ist das Hochdruck-AGR-Ventil 27, 28 stromabwärts des AGR-Kühlers 29, 30, das heißt näher an der Einleitstelle 26 angeordnet als der AGR-Kühler 29, 30.
Die eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass die auf die Turbine 13, 16 wirkenden Druckpulsationen im Abgasstrom mittels eines Stellmittels 31 bis 37 in der Stärke und/oder der Anzahl veränderbar sind. Die Stoßaufladung ist mittels der Stellmittel 31 bis 37 regelbar und/oder steuerbar. Die Stellmittel 31 bis 37 sind vorzugsweise als Stellklappen, insbesondere als Abgasklappen ausgebildet. In alternativer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Stellmittel 31 bis 37 beispielsweise als Ventil ausgestaltet sind. Im Fall der Ausgestaltung der Brennkraftmaschinen 1 bis 4 dienen die Stellmittel 31 bis 36 dazu, ein Resonanzvolumen stromaufwärts der Turbinen 13, 16 zumindest teilweise freizugeben oder abzusperren, um so Druckstöße beim Auslassvorgang aus den Zylindern 6, 7 teilweise oder auch gänzlich abzupuffern und so die Beaufschlagung der Turbine 13, 16 teilweise stoßfrei bis stoßfrei zu gestalten. Die Stellmittel 31, 32 sind in der Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 angeordnet. Die Stellmittel 31, 32 sind nahe der Entnahmestellen 24, 25 angeordnet. Die Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 beziehungsweise das entsprechende Leitungsvolumen dient hierbei als Resonanzvolumen. In Strömungsrichtung sind die Stellmittel 31, 32 stromaufwärts des AGR-Kühlers 29, 30 angeordnet. Vorzugsweise sind die Stellmittel 31, 32 deutlich beabstandet zu dem AGR-Kühler 29, 30 angeordnet. Insbesondere ist der Abstand der Stellmittel 31, 32 zu der Entnahmestelle 24, 25 kleiner als zu dem AGR-Kühler 29, 30. Für Betriebspunkte, in denen eine Stoßaufladung gewünscht ist, werden die Stellmittel 31, 32 geschlossen, so dass das Resonanzvolumen der Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 verschlossen ist. Somit kann insbesondere in niedrigen oder mittleren Drehzahlbereichen der Effekt der Stoßaufladung genutzt werden, um das Drehmoment zu steigern. Die Turbinenleistung ist durch die Stoßaufladung gesteigert. Bei hohen Drehzahlen wird das Resonanzvolumen der Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 geöffnet und so die Druckpulsationen abgeschwächt.
Wenn die Stellmittel 31, 32 geschlossen sind, erfolgt eine Abgasrückführung vorzugsweise über eine Niederdruck-AGR-Strecke 38, 39, wobei die Niederdruck-AGR-Strecke 38, 39 stromabwärts der Turbinen 13, 16 von dem Abgasstrang 9, 10 jeweils abzweigt. Die Niederdruck-AGR-Strecken 38, 39 münden stromaufwärts der Verdichter 15, 18 in die Frischluftanlage, nämlich in die entsprechenden Frischluftstränge 19, 20. Die Niederdruck-AGR-Strecken 38, 39 weisen jeweils vorzugsweise jeweils ein Niederdruck-AGR-Ventil 40, 41 und jeweils einen AGR-Kühler 42, 43 auf. Die beiden AGR-Kühler 42, 43 können durch eine Baueinheit jeweils mit den AGR-Kühlern 29, 30 gebildet sein oder separat ausgebildet sein. Die AGR-Ventile 42, 43 sind stromabwärts der AGR-Kühler 40, 41 angeordnet. Wenn nun mittels der Stellmittel 31, 32 die Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 abgesperrt ist, so kann eine Abgasrückführung über die Niederdruck-AGR-Strecke 38, 39 erfolgen. Für die anderen Betriebspunkte, bei denen teilweise oder gänzlich eine stoßfreie Beaufschlagung der Turboladerturbine 13, 16 gewünscht ist, gibt die angesteuerte Resonanzklappe, nämlich das entsprechende Stellmittel 31, 32 den Zugang zur Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 soweit frei, um soviel effektives Resonanzvolumen darzustellen, so dass sich der gewünschte Grad an Stoßfreiheit bei der Turbinenbeaufschlagung ergibt. Die tatsächliche Regelung des Hochdruck-AGR-Massenstroms wird hierbei von den Hochdruck-AGR-Ventilen 27, 28 vorgenommen. Die in den 1 bis 4 dargestellten Niederdruck-AGR-Strecken 38, 39 müssen nicht zwangsweise vorgesehen sein, sondern sind optional.
Innerhalb der Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 befinden sich in Strömungsrichtung, das heißt von der Abgasseite kommend die Resonanzklappe, nämlich das Stellmittel 31, 32 der AGR-Kühler 29, 30, die Hochdruck-AGR-Ventile 27, 28. Das Volumen zwischen der Entnahmestelle 24, 25 auf der Abgasseite bis zu dem jeweiligen AGR-Kühler 29, 30 dient als Resonanzvolumen. Durch den zusätzlichen Einbau der Resonanzklappe beziehungsweise der Stellmittel 31, 32 der entsprechenden Ansteuerung, kann die Effizienz der Turbinen 13, 16 gesteigert und deren Beanspruchung reduziert werden.
In den 2 und 3 sind Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt, wobei als Resonanzvolumen nicht bzw. nicht nur eine entsprechende Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 genutzt wird, sondern ein Totvolumen 44, 45. Das Totvolumen 44, 45 ist an einer Verbindungsstelle 46, 47 zwischen der Turbine und den Zylindern 6, 7 mit der Abgasanlage 8, nämlich hier dem entsprechenden Abgasstrang 9, 10 über ein Stellmittel 33, 34 verbindbar. Die Stellmittel 33, 34 können auch als Resonanzklappen ausgebildet sein. Das Totvolumen 44, 45 ist nicht Teil einer der AGR-Strecken. Das Totvolumen 44, 45 kann durch ein zusätzliches Bauteil, beispielsweise durch ein entsprechendes Gehäuse gebildet sein. Dadurch, dass das Totvolumen 44, 45 einerseits ein Resonanzvolumen bildet und andererseits nicht Teil der Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 ist, kann von vorteilhafter Weise auch ein Hochdruck-AGR-Betrieb erfolgen, wenn die entsprechenden Stellmittel 33, 34 beziehungsweise 35, 36 geschlossen sind. In der in 2 dargestellten Ausgestaltung sind zwei Hochdruck-AGR-Strecke 22, 23 dargestellt, wobei diese Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 vorzusgweise entsprechende Stellmittel 31, 32 aufweisen, um auch das Resonanzvolumen der Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 wahlweise zuschalten oder absperren zu können. Es ist denkbar, dass in alternativer Ausgestaltung (nicht dargestellt) Totvolumina 44, 45 und Hochdruck-AGR-Strecken 22, 23 vorhanden sind, wobei jedoch nur die Totvolumina 44, 45 absperrbar und zuschaltbar sind. In der in 3 dargestellten Ausgestaltung ist keine Hochdruck-AGR-Strecke vorhanden.
Die in 4 dargestellte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist nun eine Verbindungsleitung 48 auf, wobei innerhalb der Verbindungsleitung 48 ein entsprechendes Stellmittel 37, nämlich eine Schaltklappe (nicht näher bezeichnet) vorhanden ist. Die Verbindungsleitung 48 verbindet die beiden Abgasstränge 9, 10 jeweils stromaufwärts der Turbinen 13, 16. Erfolgt die Beaufschlagung der Turbinen 13, 16 bankweise, so kann mit Hilfe der schaltbaren Verbindungsleitung 48 zwischen den beiden Zylinderbänken, nämlich den entsprechenden Zylindern 6, 7 die Anzahl der Auslassstöße pro Arbeitsspiel auf die Turbinen 13, 16 vergrößert werden. Hierdurch sind ein verbessertes Ansprechverhalten und eine verbesserte Effizienz erzielbar, in dem das Stellmittel 37 geöffnet wird und so nun nicht mehr nur drei Auslassstöße, sondern sechs Auslassstöße auf die jeweilige Turbine 13, 16 wirken. Die Anzahl der Druckpulsationen im Abgasstrom auf die Turbine 13, 16 ist pro Zeiteinheit bei fester Drehzahl erhöht, nämlich verdoppelt.
In Ausgestaltungen, in denen die Verbindungsleitung 48 als Resonanzvolumen signifikant beitragen kann, ist vorzugsweise die Verbindungsleitung 48 nahe der Verzweigungsstellen (nicht näher bezeichnet) mittels entsprechender Stellmittel 31, 32 absperrbar und offenbar. Hierbei können die Stellmittelm 31, 32 entweder zusätzlich zu dem Stellmittel oder in bevorzugter Ausgestaltung alternativ zu dem Stellmittel 37 vorhanden sein. Das Stellmittelm 37 kann dabei durch die beiden Stellmittel 31, 32 ersetzt werden, so dass die Stellmittel 31, 32 als Schaltklappen dienen und das Resonanzvolumen der Verbindungsleitung absperren und öffnen können.
Die Anzahl der Druckpulsationen kann in einer Ausgestaltung im unteren Drehzahlbereich erhöht werden. Da durch das Zuschalten des zusätzlichen Volumens der Verbindungsleitung ein zusätzliches Resonanzvolumen – je nach Bauart der Verbindungsleitung – geschaffen werden könnte, kann das Öffnen in anderen Ausgestaltung bspw. in einem höheren Drehzahlbereich erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Brennkraftmaschine
3: Brennkraftmaschine
4: Brennkraftmaschine
5: Frischluftanlage
6: Zylinder
7: Zylinder
8: Abgasanlage
9: Abgasstrang
10: Abgasstrang
11: Abgasturbolader
12: Abgasturbolader
13: Turbine
14: Welle
15: Verdichter
16: Turbine
17: Welle
18: Verdichter
19: Frischluftstrang
20: Frischluftstrang
21: Frischluftstrang
22: Hochdruck-AGR-Strecke
23: Hochdruck-AGR-Strecke
24: Entnahmestelle
25: Entnahmestelle
26: Einleitstelle
27: Hochdruck-AGR-Ventil
28: Hochdruck-AGR-Ventil
29: AGR-Kühler
30: AGR-Kühler
31: Stellmittel
32: Stellmittel
33: Stellmittel
34: Stellmittel
35: Stellmittel
36: Stellmittel
37: Stellmittel
38: Niederdruck-AGR-Strecke
39: Niederdruck-AGR-Strecke
40: AGR-Ventil
41: AGR-Ventil
42: AGR-Kühler
43: AGR-Kühler
44: Totvolumen
45: Totvolumen
46: Verbindungsstelle
47: Verbindungsstelle
48: Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006054043 A1 [0004]
EP 2647807 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine (1, 2, 3, 4) mit einer Frischluftanlage (5), mit einer Abgasanlage (8), und mit einem Abgasturbolader (11, 12), wobei der Abgasturbolader eine Turbine (13, 16) und einen Verdichter (15, 18) aufweist, wobei die Turbine (13) in der Abgasanlage (8) und der Verdichter (15, 18) in der Frischluftanlage (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Turbine (13, 16) im Abgasstrom wirkenden Druckpulsationen mittels eines Stellmittels (31 bis 37) in der Stärke und/oder der Anzahl veränderbar sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Stellmittels (31 bis 36) ein stromaufwärts der Turbine (13, 16) angeordnetes oder ausgebildetes Resonanzvolumen mit der Abgasanlage (8) verbindbar oder absperrbar ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzvolumen durch zumindest einen Teil einer Hochdruck-AGR-Strecke (22, 23) gebildet ist, wobei die Hochdruck-AGR-Strecke (22, 23) an einer Entnahmestelle (24) von der Abgasanlage (8) abzweigt und an einer Einleitstelle (26) in die Frischluftanlage (5) mündet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (31 bis 36) näher an der Entnahmestelle (24, 25) als an der Einleitstelle (26) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Stellmittels (31, 32) ein Hochdruck-AGR-Ventil (27, 28) in der Hochdruck-AGR-Strecke (22, 23) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stellmittel (31, 32) und dem Hochdruck-AGR-Ventil (27, 28) ein AGR-Kühler (29, 30) in der Hochdruck-AGR-Strecke (22, 23) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonanzvolumen ein Totvolumen (44, 45) vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (13, 16) eine Niederdruck-AGR-Strecke (38, 39) von der Abgasanlage (8) abzweigt und in die Frischluftanlage (5) mündet.
Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader (11, 12) vorgesehen sind, wobei die Turbinen (13, 16) von separaten Abgassträngen (9, 10) gespeist sind, wobei Stromaufwärts der Turbinen (13, 16) die Abgasstränge (9, 10) über eine Verbindungsleitung (48) verbindbar oder trennbar sind, wobei die Verbindungsleitung (48) das Stellmittel (37) aufweist, wobei durch Öffnen der Verbindungsleitung (48) mittels des Stellmittels (37) die Anzahl der auf die Turbine (13, 16) wirkenden Auslassstöße vergrößerbar ist.
Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Brennkraftmaschine (1, 2, 3, 4) mit einer Frischluftanlage (5), mit einer Abgasanlage (8), und mit einem Abgasturbolader (11, 12), wobei der Abgasturbolader eine Turbine (13, 16) und einen Verdichter (15, 18) aufweist, wobei die Turbine (13) in der Abgasanlage (8) und der Verdichter (15, 18) in der Frischluftanlage (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Turbine (13, 16) im Abgasstrom wirkenden Druckpulsationen mittels eines Stellmittels (31 bis 37) in der Stärke und/oder der Anzahl verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten, unteren Drehzahlbereich der Effekt der Stoßaufladung mittels des Stellmittels (31 bis 37) erhöht wird und in einem zweiten, höheren Drehzahlbereich der Effekt der Stoßaufladung mittels des Stellmittels (31 bis 37) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten, höheren Drehzahlbereich mittels des Stellmittels (31 bis 36) ein stromaufwärts der Turbine (13, 16) angeordnetes oder ausgebildetes Resonanzvolumen mit der Abgasanlage (8) verbunden wird und in dem ersten, unteren Drehzahlbereich das Resonanzvolumen mittels des Stellmittels (31 bis 36) von der Abgasanlage (8) fluidtechnisch abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader (11, 12) vorgesehen sind, wobei die Turbinen (13, 16) der Abgasturbolader (11, 12) von separaten Abgassträngen (9, 10) gespeist werden, wobei stromaufwärts der Turbinen (13, 16) die Abgasstränge (9, 10) über eine Verbindungsleitung (48) mittels des Stellmittels (37) wahlweise verbunden werden oder getrennt werden, wobei durch Öffnen des Stellmittels (37) und damit durch Öffnen der Verbindungsleitung (48) die Anzahl der auf die Turbine (13, 16) wirkenden Auslassstöße vergrößert wird und durch Schließen des Stellmittels (37) und damit durch Schließen der Verbindungsleitung (48) die Anzahl der auf die Turbine (13, 16) wirkenden Auslassstöße verringert wird.