-
Die Erfindung betrifft eine Ladeanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zu deren Betrieb.
-
Verbrennungskraftmaschinen werden meist über eine Drosselklappe mit Verbrennungsluft versorgt. Bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen kommt häufig eine Ladeluftkühlung mittels Luft oder Wasser zum Einsatz.
-
Aus der
US 2013/0092126 A1 sind verschiedene Systeme und Verfahren für ein Motorsystem bekannt, umfassend einen Drosselklappen-Turbinen-Generator mit einer Turbine, die einen Hilfsgenerator antreibt und in einem Drosselklappen-Bypass angeordnet ist. In manchen Beispielen, wird ein Drosselklappen-Bypass-Ventil gesteuert, um einen Luftstrom durch den Drosselklappen-Bypass in Abhängigkeit von einem Luftstrom zu Zylindern des Motors einzustellen. In anderen Beispielen wird ein Betriebsparameter, beispielsweise eine Drosselklappen-Position, anhand transienter Betriebsbedingungen des Motors gesteuert. In weiteren Beispielen wird das Laden einer Batterie zwischen dem Hilfsgenerator und einem Primärgenerator abgestimmt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Ladeanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ladeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Ladeanordnung wird Ladeluft mittels eines Laders verdichtet, verdichtete Ladeluft mittels eines Ladeluftkühlers gekühlt und gekühlte Ladeluft mittels einer Drosselvorrichtung in Form einer Turbine gedrosselt und einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt, wobei Energie aus einer Enthalpiedifferenz zwischen gedrosselter Ladeluft und der gekühlten Ladeluft mittels der Turbine rekuperiert wird. Die Verdichtung mittels des Laders wird dabei so durchgeführt, dass ein Druck der verdichteten Ladeluft höher ist als ein für eine Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine benötigter oder gewünschter Druck, wobei die Drosselung mittels der Turbine so durchgeführt wird, dass ein Druck der gedrosselten Ladeluft dem für die Verbrennungskraftmaschine benötigten oder gewünschten Druck entspricht.
-
Anders als bei einer Drosselklappe kann mittels der Turbine im Zuluftpfad Energie teilweise rekuperiert werden, die durch die Drosselung mit einer Drosselklappe nicht nutzbar wäre, da diese insbesondere im teilgeöffneten Betrieb Enthalpie verschenkt. Auf diese Weise kann ein Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs reduziert werden.
-
Durch die Überverdichtung der Ladeluft auf ein Druckniveau, das höher als benötigt oder gewünscht ist, kann mehr Wärme im Ladeluftkühler ausgetragen und durch anschließende Druckreduzierung nach dem Ladeluftkühler eine tiefere Temperatur im Saugrohr erreicht werden. Hierdurch können beispielsweise Klopfneigung, Füllgrad und/oder Abgastemperatur positiv beeinflusst werden. Der positive Effekt spiegelt sich in einer höheren Motorleistung, einem geringeren Verbrauch und/oder im oberen Lastbereich in einer geringeren Gemischanreicherung zum Bauteilschutz wider. Erfolgt die Drosselung nicht durch eine Drosselklappe sondern durch eine Turbine, so ist ein Anteil der zur Überverdichtung benötigten Energie rekuperierbar. Darüber hinaus lässt sich auch in anderen, ansonsten ungedrosselten Betriebszuständen ein Anteil der Verdichtungsleistung rekuperieren. Hierfür muss lediglich eine Anpassung des Verdichters erfolgen und die Drosselklappe durch eine Turbine ersetzt werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine,
-
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine, und
-
3 ein beispielhaftes Druck-Enthalpie-Diagramm zur Verdeutlichung einer Prozessführung in der erfindungsgemäßen Ladeanordnung.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeanordnung 1 für eine Verbrennungskraftmaschine 2. Die Ladeanordnung 1 umfasst einen Lader 3 zum Verdichten von Ladeluft L für die Verbrennungskraftmaschine 2. Der Lader 3 kann beispielsweise als ein Kompressor, Verdichter, Abgasturbolader oder Scrollverdichter ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Lader 3 als ein Abgasturbolader ausgebildet mit einer in einem Abgasstrom A der Verbrennungskraftmaschine 2 liegenden Turbinenseite 3.1 und einer mit der Turbinenseite 3.1 gekoppelten Verdichterseite 3.2 zur Verdichtung von Ladeluft L, die vor dem Einströmen in die Verdichterseite 3.2 einen Druck p1, beispielsweise Atmosphärendruck und eine Temperatur T1 aufweist. Aus der Verdichterseite 3.2 ausströmende verdichtete Ladeluft L weist einen höheren Druck p2 und eine höhere Temperatur T2 auf und wird in einem Ladeluftkühler 4 gekühlt. Die so gekühlte Ladeluft L'' weist eine Temperatur T3 auf, die niedriger ist als die Temperatur T2, und einen Druck p3, der idealerweise weitgehend dem Druck p2 entspricht, jedoch real geringer ist. Ein Luftmassenstrom der so gekühlten Ladeluft L'' wird mittels einer Drosselklappe 5 reguliert und der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt. Nach der Drosselklappe 5 weist die gedrosselte Ladeluft L''' abhängig von einer Stellung der Drosselklappe 5 eine Temperatur T4 und einen Druck p4 auf, die jeweils geringer sind als die Temperatur T3 und der Druck p3. Eine durch das Einbringen des Strömungswiderstandes der Drosselklappe 5 entstehende Druckdifferenz Δp43 = p4 – p3 beziehungsweise Enthalpiedifferenz bleibt dabei ungenutzt, geht also aus der Ladeanordnung 1 in die Umgebung verloren.
-
Bei geringen Lasten und nicht vollständig geöffneter Drosselklappe 5 wird die gekühlte Ladeluft L'' angedrosselt, wodurch sie eine Druckminderung und Temperaturabnahme erfährt. Bei entsprechender Lastanforderung ist die Drosselklappe 5 jedoch vollständig geöffnet, wodurch die gekühlte Ladeluft L'' nahezu ungehindert, das heißt nicht angedrosselt in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 2 gelangt. Dieser Betriebszustand ist ausschlaggebend für den maximalen Ladedruck (p3 = p4) und auch die maximale Ansaugtemperatur (T3 = T4). Vorteilhaft wäre jedoch in diesem Betriebszustand eine tiefe Temperatur.
-
2 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1 für eine Verbrennungskraftmaschine 2. Die Ladeanordnung 1 umfasst einen Lader 3 zum Verdichten von Ladeluft L für die Verbrennungskraftmaschine 2. Der Lader 3 kann beispielsweise als ein Kompressor, Verdichter, Abgasturbolader oder Scrollverdichter ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist der Lader 3 als ein Abgasturbolader ausgebildet mit einer in einem Abgasstrom A der Verbrennungskraftmaschine 2 liegenden Turbinenseite 3.1 und einer mit der Turbinenseite 3.1 gekoppelten Verdichterseite 3.2 zur Verdichtung von Ladeluft L, die vor dem Einströmen in die Verdichterseite 3.2 einen Druck p1, beispielsweise Atmosphärendruck und eine Temperatur T1 aufweist. Aus der Verdichterseite 3.2 ausströmende verdichtete Ladeluft L' weist einen höheren Druck p2 und eine höhere Temperatur T2 auf und wird in einem Ladeluftkühler 4 gekühlt. Die so gekühlte Ladeluft L'' weist eine Temperatur T3 auf, die niedriger ist als die Temperatur T2, und einen Druck p3, der idealerweise weitgehend dem Druck p2 entspricht, jedoch real geringer sein kann. Ein Luftmassenstrom der so gekühlten Ladeluft L'' wird mittels einer Turbine 6 gedrosselt und der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt. Nach der Turbine 6 weist die gedrosselte Ladeluft L''' eine Temperatur T4 und einen Druck p4 auf, die jeweils geringer sind als die Temperatur T3 und der Druck p3. Eine durch das Einbringen des Strömungswiderstandes der Turbine 6 entstehende Druckdifferenz Δp43 = p4 – p3 beziehungsweise Enthalpiedifferenz wird durch die Turbine 6 in rotatorische Energie umgewandelt, beispielsweise zum Antrieb eines Generators 7 zur Umwandlung in elektrische Energie, die einem elektrischen Verbraucher oder einem elektrischen Energiespeicher (nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Ebenso kann die gewonnene elektrische Energie zum Verdichten der Ladeluft L verwendet werden, beispielsweise wenn der Lader 3 als ein elektrische Lader oder Kompressor oder als ein elektrisch unterstützter Turbolader ausgebildet ist.
-
3 zeigt ein beispielhaftes Druck-Enthalpie-Diagramm zur Verdeutlichung einer Prozessführung der erfindungsgemäßen Ladeanordnung 1, wobei die Enthalpie H auf der Abszisse und der Druck p auf der Ordinate dargestellt ist. Die Darstellung ist idealisiert und berücksichtigt keine Wirkungsgrade. Insbesondere bei höheren Lasten kann der Druck p2 gegenüber der in 1 gezeigten Ladeanordnung 1 mittels des Laders 3 vom Druck p1 ausgehend angehoben, das heißt überverdichtet, werden, derart, dass der Druck p2 höher ist, als für die Verbrennungskraftmaschine 2 benötigt oder gewünscht. Für die Überverdichtung wird eine Mehrarbeit WM aufgebracht. Die derart überverdichtete Ladeluft L' wird anschließend mittels des Ladeluftkühlers 4 auf die Temperatur T3 gekühlt und vor der Verbrennungskraftmaschine 2 mittels Drosselung durch die Turbine 6 auf einen gewünschten oder benötigten Druck p4 gebracht. Dies wirkt sich dahingehend aus, dass trotz der sich im Strömungspfad befindlichen Turbine 6 der Druck p4 nach der Turbine 6 dem für die Verbrennungskraftmaschine 2 benötigten oder gewünschten Druck, beispielsweise dem Druck p4 der Ladeanordnung 1 nach 1 bei vollständig geöffneter Drosselklappe 5 entspricht. Beim Drosseln auf den Druck p4 wird die gedrosselte Ladeluft L''' thermodynamisch weiter abgekühlt und so der Verbrennungskraftmaschine 2 bei gewünschtem oder benötigtem Druck p4 und zusätzlich durch die Drosselung der Turbine 6 gekühlt zur Verfügung gestellt, so dass die Effizienz der Verbrennung verbessert wird. Der größere energetische Aufwand der Überverdichtung kann durch die teilweise Rekuperation der der Druckdifferenz Δp43 = p4 – p3 entsprechenden Enthalpiedifferenz Hr in der Turbine 6 und die Verbesserung des Verbrennungsprozesses in der Verbrennungskraftmaschine 2 durch die reduzierte Temperatur T4 überkompensiert werden, so dass eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht wird. In einer Ausführungsform weist die Turbine 6 eine variable Turbinengeometrie (VTG) auf.
-
Durch die Überverdichtung wird auch eine höhere Temperatur T2 der verdichteten Ladeluft L' erreicht, was zu einem größeren Wärmeaustrag im Ladeluftkühler 4 führt. Da der Druck p3 nunmehr höher als für die Verbrennung erforderlich ist, wird nun auch bei hohen Lastzuständen, beispielsweise Volllast, eine Androsselung des Zuluftstromes der gekühlten Ladeluft L'' mittels der Turbine 6 durchgeführt, beispielsweise auf den Druck p4 = p3 des Vergleichszustandes gemäß 1 ohne Überverdichtung bei vollständig geöffneter Drosselklappe 5. Durch die Androsselung fällt die Temperatur T4 unter die des Referenzzustandes gemäß 1.
-
Zur Steuerung und/oder Regelung des Laders 3 und/oder der Turbine 6 kann ein Steuergerät (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
-
Beispielsweise kann mittels des Laders 3 eine Überverdichtung auf einen Druck p2 erfolgen, der etwa dem 1,35-fachen bis 2-fachen des für die Verbrennungskraftmaschine 2 benötigten oder gewünschten Drucks p4 entspricht oder um etwa 1 bar gegenüber dem Druck p4 erhöht ist. Bei der Verdichtung vom Druck p1 auf den Druck p2 kann beispielsweise eine Druckerhöhung um 2 bis 4 bar und eine Temperaturerhöhung um 120°C bis 160°C erfolgen. Im Ladeluftkühler 4 kann eine Temperaturreduzierung von beispielsweise 100°C bis 140°C erfolgen. Bei der Entspannung der gekühlten Ladeluft L'' mittels der Turbine 6 kann der Druck beispielsweise um 0,8 bar bis 1,2 bar und die Temperatur um 25°C bis 30°C reduziert werden.
-
In 2 ist die Drosselklappe 5 aus 1 durch die Turbine 6 ersetzt. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Ladeanordnung 1 kann jedoch auch eine Turbine 6 parallel zu einer Drosselklappe 5 angeordnet sein. Wird die Drosselklappe 5 vollständig geschlossen, verhält sich die so modifizierte Ladeanordnung 1 wie die Ladeanordnung gemäß 2. Durch zumindest teilweises Öffnen der Drosselklappe 5 und somit Umgehen der Turbine 6 werden weitere Betriebseinstellungen sowie ein schnelleres Steuern und/oder Regeln ermöglicht. Das beschriebene Verfahren zum Betrieb der Ladeanordnung 1 ist auch anwendbar, wenn eine Turbine 6 parallel zu einer Drosselklappe 5 angeordnet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ladeanordnung
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 3
- Lader
- 3.1
- Turbinenseite
- 3.2
- Verdichterseite
- 4
- Ladeluftkühler
- 5
- Drosselklappe
- 6
- Turbine
- 7
- Generator
- A
- Abgasstrom
- H
- Enthalpie
- Hr
- Enthalpiedifferenz
- L
- Ladeluft
- L'
- verdichtete Ladeluft
- L''
- gekühlte Ladeluft
- L'''
- gedrosselte Ladeluft
- p
- Druck
- p1
- Druck
- p2
- Druck
- p3
- Druck
- p4
- Druck
- T1
- Temperatur
- T2
- Temperatur
- T3
- Temperatur
- T4
- Temperatur
- WM
- Mehrarbeit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2013/0092126 A1 [0003]
