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Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladerbaugruppe für einen mehrere Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotor, mit einer Abgasturbine, zumindest zwei Abgassammelkanälen, die jeweils an die Abgasausströmkanäle mehrerer Zylinder des Verbrennungsmotors angeschlossen werden können und die aus den Zylindern ausströmenden Abgase der Abgasturbine zuführen, sowie zumindest einem Bypasskanal, der die Abgassammelkanäle verbindet und in dem ein Sperrventil zum Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Motorbaugruppe mit einer solchen Abgasturboladerbaugruppe sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Motorbaugruppe.
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Aus dem Stand der Technik sind Abgasturboladerbaugruppen bekannt, die das aus dem Motor ausströmende Abgas einer Turbine zuführen, über die ein mit der Frischluftzufuhr des Verbrennungsmotors verbundener Verdichter angetrieben wird.
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Der Drehzahlbereich, in welchem die Turbine bzw. der Turbolader effektiv arbeiten kann, ist üblicherweise geringer als die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors. Um den Turbolader über einen möglichst großen Motordrehzahlbereich effektiv einsetzen zu können, sind sogenannte mehrflutige Abgasturboladerbaugruppen bekannt. Diese weisen mehrere Abgassammelkanäle auf, die jeweils an die Abgaskanäle mehrerer Zylinder angeschlossen sind. Die Abgassammelkanäle werden erst unmittelbar vor dem Turbinenrad des Turboladers zusammengeführt. Die Auswahl der Zylinder, deren Abgaskanäle zusammengefasst werden, wird nach der Zündreihenfolge festgelegt, sodass eine gegenseitige nachteilige Beeinflussung der einzelnen Zylinder beim Ladungswechsel unterbunden wird. Die Kombination der Zylinder ist so gewählt, dass nur eine geringe Abschwächung der beim Ausstoß des Abgases aus den Zylindern entstehenden Druckwellen erfolgt und der Antrieb der Turbine des Turboladers überwiegend über Druckstöße erfolgt. Dadurch kann der Abgasgegendruck reduziert und das Ansprechverhalten des Turboladers verbessert werden, wodurch auch der Verbrauch sowie die Leistung des Motors verbessert werden können.
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Um bei hohen Drehzahlen eine Überlastung der Turbine und des Turboladers zu verhindern, ist aus dem Stand der Technik des Weiteren bekannt, zwischen den Abgassammelkanälen eine Bypassleitung mit einem Abgasventil anzuordnen, das bei hohen Motodrehzahlen geöffnet wird, um einen Austausch zwischen den beiden Abgassammelkanälen zu ermöglichen. Dadurch werden die einzelnen Druckstöße abgeschwächt. In den Abgassammelkanälen baut sich ein im Wesentlichen gleichmäßiger Staudruck auf, über den die Turbine angetrieben wird.
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Dieses Prinzip ist als Stau-Stoß-Umschaltung bekannt. Bei niedrigen Drehzahlen kann die Abgasklappe geschlossen werden, sodass ein besserer Druckaufbau möglich ist. Bei hohen Drehzahlen kann die Abgasklappe geöffnet werden, um die Druckstöße und den Abgasgegendruck und damit die Ladungswechselarbeit des Verbrennungsmotors zu minimieren.
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Des Weiteren ist bekannt, an den Abgassammelkanälen Wärmetauscher anzuordnen, um das durch die Kanäle strömende Abgas zu kühlen. Durch diese Wärmetauscher erfolgt aber eine konstante Kühlung des Abgases, sodass beispielsweise die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors verlängert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Abgasturboladerbaugruppe zu optimieren, um die Kühlungseigenschaften zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, eine Motorbaugruppe mit einer solchen optimierten Abgasturboladerbaugruppe bereitzustellen, die einen reduzierten Kraftstoffverbrauch aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Motorbaugruppe.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Abgasturboladerbaugruppe für einen mehrere Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotor vorgesehen, mit einer Abgasturbine, mit zumindest zwei Abgassammelkanälen, die jeweils an die Abgasausströmkänale mehrerer Zylinder des Verbrennungsmotors angeschlossen werden können und die aus den Zylindern ausströmenden Abgase der Abgasturbine zuführen, sowie zumindest einem Bypasskanal, der die Abgassammelkanäle verbindet und in dem ein Sperrventil zu Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet ist. Im Bypasskanal ist erfindungsgemäß ein Wärmetauscher angeordnet.
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Die Anordnung eines Wärmetauschers im Bypasskanal hat den Vorteil, dass über diesen das durch den Bypasskanal strömende Abgas gekühlt werden und die Wärme abgeführt werden kann, wobei diese Kühlung über ein Öffnen bzw. Schließen des Sperrventils gesteuert werden kann. Bei den bisher bekannten Systemen wird die Motortemperatur gesenkt, indem das Kraftstoffgemisch angefettet wird. Dieses wird nicht vollständig verbrannt, wodurch der Wirkungsgrad des Motors und die Abgastemperatur gesenkt werden. Dadurch steigt aber der Kraftstoffverbrauch des Motors. Durch den Wärmetauscher kann dem System über die Kühlung des Abgases Wärme entzogen und somit die Motortemperatur gesenkt werden. Da der Wärmetauscher im Bypasskanal angeordnet ist, ist zudem über die Abgasklappe eine optionale Zuschaltung des Wärmetauschers, also der Kühlung möglich, sodass diese nach Bedarf aktiviert bzw. deaktiviert werden kann. Bisher sind lediglich Wärmetauscher bekannt, die direkt an einem der Krümmer, also den Abgassammelkänalen, angeordnet sind und dadurch nicht deaktiviert werden können, wenn, beispielsweise während der Warmlaufphase, keine Kühlung des Abgases erwünscht ist.
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Um einen kompakten Aufbau zu realisieren, kann der Wärmetauscher an einem der Abgassammelkanäle montiert sein, z. B. an diesem verschraubt sein. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher gegenüber dem Abgassammelkanal isoliert, um einen Wärmeaustausch zwischen Krümmer und Wärmetauscher und beispielsweise während der Warmlaufphase eine Kühlung des durch den Krümmer strömenden Abgases zu verhindern.
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Zur Lösung der Aufgabe ist des Weiteren eine Motorbaugruppe mit einer erfindungsgemäßen Abgasturboladerbaugruppe und einem Kühlmittelkreislauf vorgesehen, wobei der Kühlmittelkreislauf mit dem Wärmetauscher der Abgasturboladerbaugruppe gekoppelt ist. Der Wärmetauscher bzw. die dem Abgas entzogene Wärme kann bei einer solchen Motorbaugruppe genutzt werden, um den Kühlmittelkreislauf zu erwärmen, sodass dieser schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Somit kann beispielsweise eine schnellere Erwärmung des Verbrennungsmotors erzielt werden. Die entzogene Wärme kann alternativ zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
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Im Kühlmittelkreislauf kann zusätzlich ein Wärmespeicher angeordnet sein. Über diesen ist eine Pufferung bzw. eine Speicherung der dem Abgas entzogenen Wärme möglich. Durch das größere Volumen des Kühlmittelkreislaufs wird eine größere Wärmemenge aufgenommen und später abgegeben. Der Wärmespeicher kann beispielsweise optional mit dem übrigen Kühlmittelkreislauf koppelbar sein, sodass zunächst der Kühlmittelkreislauf erwärmt wird. Sobald dieser eine Betriebstemperatur erreicht hat bzw. diese überschritten wird, kann der Wärmespeicher zugeschaltet werden, sodass eine zusätzliche Aufnahme der Wärme und somit eine Kühlung des Abgases erfolgen kann.
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Die Motorbaugruppe umfasst gemäß einer Variante auch den Verbrennungsmotor, und der Kühlmittelkreislauf ist der Motor-Kühlmittelkreislauf.
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Erfindungsgemäß ist des Weiteren ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Motorbaugruppe vorgesehen, wobei die Abgasturboladerbaugruppe abhängig von den Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors in zumindest einem der folgenden Zustände betrieben wird:
- – bei niedrigen Temperaturen des Kühlmittelkreislaufs wird das Sperrventil geöffnet, um über den Wärmetauscher eine (schnelle) Erwärmung des Kühlmittelkreislaufs zu erhalten,
- – bei hohen Temperaturen des Kühlmittelkreislaufs wird das Sperrventil geschlossen, um den Wärmetauscher vom Kühlmittelkreislauf zu entkoppeln,
- – bei niedrigen Drehzahlen im Aufladebetrieb wird das Sperrventil geschlossen,
- – bei hohen Drehzahlen im Aufladebetrieb wird das Sperrventil geöffnet,
- – bei Unterschreitung der Betriebstemperatur des/der Abgasnachbehandlungsverfahren wird das Sperrventil geschlossen.
- – bei schneller Lasterhöhung bis in den Aufladebetrieb ist das Sperrventil etwa bis zum Erreichen des geforderten Ladedrucks geschlossen, um die Leistung der Abgasturbine zu erhöhen, und
- – bei nach dem Wärmetauscher integriertem Wärmespeicher wird zum schnellen Laden des Wärmespeichers das Sperrventil geöffnet.
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Im Saugbetrieb des Verbrennungsmotors besteht die Möglichkeit, das Sperrventil zu öffnen oder schließen, wobei bei geöffnetem Sperrventil eine Aktivierung des Wärmetauschers und somit eine schnelle Erwärmung des Kühlmittelkreislaufs erzielt werden kann.
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Beim Start des Verbrennungsmotors kann alternativ das Sperrventil geschlossen werden, sodass keine Kühlung des Abgases erfolgt. Das heiße Abgas kann so eine nachgeschaltete Abgasreinigungsanlage und/oder eine Abgasnachbehandlungsanlage schnell erwärmen. In Betriebszuständen besonders niedriger Motorlast und demzufolge niedriger Abgastemperatur kann das Sperrventil geschlossen werden, um das Auskühlen der Abgasreinigungs-/Abgasnachbehandlungsanlage zu verhindern. Die Grenzwerte für Motorlast und/oder Abgastemperatur können vorbestimmt und in einer Steuerung abgelegt sein.
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Während des Abgasturboladerbetriebes kann das Sperrventil bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors geschlossen werden, sodass durch die Druckwellen des aus den Zylindern ausströmenden Abgases eine schnelle Beschleunigung des Abgasturboladers und somit ein schneller Aufbau des Ladedrucks erfolgt. Bei geschlossenem Sperrventil werden darum im stationären Betriebszustand (konstante Leistung/Drehzahl) auch ein höherer Ladedruck und damit eine höhere Motorleistung erreicht.
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Bei hohen Motordrehzahlen kann das Sperrventil geöffnet werden, sodass die Abgasturboladerbaugruppe durch den Staudruck angetrieben wird und eine Temperaturreduzierung über den Wärmetauscher erfolgt.
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Bei Überhitzung des Kühlmittelkreislaufs kann dieser durch Schließen des Sperrventils abgekoppelt werden, sodass über den abgekoppelten Wärmetauscher kein weiterer Wärmeeintrag in den Kühlmittelkreislauf erfolgt.
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Bei letztgenanntem Betriebszustand ist auch eine herkömmliche Temperaturreduzierung durch eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches möglich.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Motorbaugruppe mit einer erfindungsgemäßen Abgasturboladerbaugruppe.
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In 1 ist eine Motorbaugruppe 10 für einen Verbrennungsmotor 11 mit mehreren Zylindern gezeigt. Die Motorbaugruppe 10 hat eine Abgasturboladerbaugruppe 12 sowie einen Kühlmittelkreislauf 14, der, wie nachfolgend im Detail erläutert wird, mit der Abgasturboladerbaugruppe 12 gekoppelt ist und der Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 11 sein kann.
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Die Abgasturboladerbaugruppe 12 hat eine Abgasturbine 16 mit einem Turbinenrad 18 sowie zwei Abgassammelkanäle 20a, 20b, die jeweils an die Abgasausströmkanäle der einzelnen Zylinder angeschlossen sind, sodass das aus mehreren Zylindern ausströmende Abgas jeweils in einen Abgassammelkanal 20a, 20b strömen kann.
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Über die Abgassammelkanäle wird jeweils das aus mehreren Zylindern ausströmende Abgas gesammelt und dem Turbinenrad 18 der Abgasturbine 16 zugeführt, sodass diese vom aus dem Verbrennungsmotor ausströmenden Abgas angetrieben wird. Über die Abgasturbine 16 erfolgt auf bekannte Weise eine Verdichtung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft, wodurch eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors 11 erzielt werden kann.
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Zwischen den Abgassammelkanälen 20a, 20b ist ein Bypasskanal 22 vorgesehen, der ein Sperrventil 24 aufweist, mit dem der Bypasskanal 22 geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Durch die Abgassammelkanäle, die jeweils das Abgas einer Anzahl der Zylinder sammeln, und den Bypasskanal ist ein Betrieb der Abgasturboladerbaugruppe 12 mit einer sogenannten Stau-Stoß-Umschaltung möglich.
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Bei niedrigen Drehzahlen ist das Sperrventil 24 geschlossen, sodass das Abgas der einzelnen Zylinder entweder durch den ersten Abgassammelkanal 20a oder den zweiten Abgassammelkanal 20b zum Turbinenrad 18 der Abgasturbine 16 strömt. Die Auswahl der Zylinder, die an den ersten Abgassammelkanal 20a bzw. den zweiten Abgassammelkanal 20b angeschlossen sind, wird nach der Zündreihenfolge des Verbrennungsmotors festgelegt. Die Zylinder werden so ausgewählt, dass sich die beim Ausstoß des Abgases aus den Zylindern entstehenden Druckwellen nicht gegenseitig beeinflussen, insbesondere sich nicht abschwächen. Eine beim Ausstoß des Abgases aus einem Zylinder entstehende Druckwelle wirkt so unmittelbar auf das Turbinenrad 18 der Abgasturbine 16 und treibt dieses an. Dadurch kann bei einem geringen Staudruck, also bei geringen Motordrehzahlen ein effektiver Antrieb des Turbinenrades 18 und somit der Abgasturbine 16 erfolgen.
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Bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors würde diese Antriebsweise aber zu einer Überlastung der Abgasturbine 16 bzw. einer zu hohen Verdichtung der Frischluft führen. Ab einer definierten Drehzahl des Verbrennungsmotors, also einem definierten Abgasausstoß aus den Zylindern, wird deshalb die Bypassleitung 22 geöffnet, indem das Sperrventil 24 geöffnet wird. Zwischen dem ersten und dem zweiten Abgassammelkanal 20a, 20b kann somit ein Austausch des Abgases, insbesondere aber ein Druckausgleich, erfolgen. Die beim Ausstoß des Abgases aus den einzelnen Zylindern entstehenden Druckwellen schwächen sich dadurch ab, sodass in den Abgassammelkanälen 20a, 20b ein im Wesentlichen gleichmäßiger Staudruck aufgebaut werden kann, über den die Abgasturbine 16 angetrieben werden kann.
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Durch diese Umschaltung zwischen einem Staudruckbetrieb bei hohen Drehzahlen und einem Druckwellen- bzw. Stoßantrieb bei niedrigen Drehzahlen kann die Abgasturbine 16 über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors in einem idealen Drehzahlbereich betrieben werden, sodass über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors eine im Wesentlichen gleichmäßige Leistungssteigerung durch die Abgasturboladerbaugruppe bereitgestellt werden kann.
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Wie in 1 zu sehen ist, ist im Bypasskanal 22 ein Wärmetauscher 26 angeordnet. Der Wärmetauscher 26 ist mit dem Kühlmittelkreislauf 14 verbunden, der beispielsweise mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Im Kühlmittelkreislauf 14 ist des Weiteren ein hier lediglich schematisch dargestellter Wärmespeicher 28 angeordnet.
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Durch den Wärmetauscher 26 ist ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittelkreislauf 14 und dem Abgas, das durch die Abgassammelkanäle 20a, 20b bzw. durch den Bypasskanal 22 strömt, möglich. Dies ermöglicht, wie nachfolgend erläutert wird, einen effektiveren und somit kraftstoffsparenderen Betrieb des Verbrennungsmotors bzw. der Motorbaugruppe.
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Grundsätzlich ist durch die Anordnung des Wärmetauschers 26 im Bypasskanal 22 durch Öffnen bzw. Schließen des Sperrventils 24 eine Steuerung der Durchströmung des Abgases durch den Wärmetauscher 26 und somit eine Aktivierung bzw. eine Deaktivierung des Wärmetauschers 26 möglich.
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Im Einzelnen besteht bei einem Saugbetrieb des Verbrennungsmotors, also bei nicht aktivierter Abgasturbine 16, die Möglichkeit, das Sperrventil zu öffnen, wodurch das aus den Abgassammelkanälen 20a, 20b stammende Abgas durch den Wärmetauscher 26 strömen und somit Wärme an den Kühlmittelkreislauf 14 abgeben kann. Diese Wärme kann beispielsweise genutzt werden, um den Verbrennungsmotor zu erwärmen, sodass dieser schneller seine Betriebstemperatur erreicht.
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Der Kühlmittelkreislauf 14 kann beispielsweise aber auch mit der Fahrzeugheizung gekoppelt werden, sodass eine schnellere Erwärmung des Fahrzeuginnenraums möglich ist.
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Sobald der Kühlmittelkreislauf 14 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird das Sperrventil 24 geschlossen, sodass kein weiterer Wärmeeintrag in den Kühlmittelkreislauf 14 erfolgt.
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Beim Start des Verbrennungsmotors kann alternativ das Sperrventil 24 geschlossen werden, sodass keine Kühlung des Abgases erfolgt. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen erfolgt, wie bereits beschrieben, ein Antrieb der Abgasturbine 16 im Stoßbetrieb, sodass auch bei niedrigen Motordrehzahlen bereits eine Leistungssteigerung durch die Abgasturbine 16 bzw. die Abgasturboladerbaugruppe 12 erfolgt. Zudem strömt das heiße Abgas ungekühlt aus den Abgassammelkanälen 20a, 20b durch die Abgasturbine 16 und nachfolgend zu einer Abgasreinigungsanlage bzw. einer Abgasnachbehandlungsanlage. Diese benötigen üblicherweise eine hohe Temperatur, um das Abgas wirkungsvoll reinigen bzw. nachbehandeln zu können. Ist das Sperrventil 24 geschlossen, strömt das heiße, ungekühlte Abgas zur Abgasreinigungsanlage bzw. zur Abgasnachbehandlungsanlage, die so sehr schnell auf ihre Betriebstemperatur erhitzt werden kann. Sobald die Abgasreinigungsanlage bzw. die Abgasnachbehandlungsanlage erhitzt ist, kann das Sperrventil 24 geöffnet werden und anschließend die Wärme des Abgases genutzt werden, um den Kühlmittelkreislauf 14 zu erwärmen.
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Analog zu den bekannten Abgasturboladerbaugruppen 12 mit mehreren Abgassammelkanälen 20a, 20b ist auch bei einem Turboladerbetrieb ein Öffnen bzw. ein Schließen des Sperrventils 24 möglich, sodass die Abgasturboladerbaugruppe 12 im Staubetrieb oder im Stoßwellenbetrieb betrieben werden kann. Bei geöffnetem Sperrventil 24, also üblicherweise bei hohen Motordrehzahlen erfolgt eine Kühlung des Abgases durch den Bypasskanal 22 bzw. den Wärmetauscher 26, wobei die entstehende Wärme genutzt werden kann.
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Bei Überhitzung des Kühlmittelkreislaufs 14 kann das Sperrventil 24 geschlossen werden, sodass der Wärmeeintrag in den Kühlmittelkreislauf 14 reduziert wird. Um bei diesem Betriebszustand ein Reduzieren der Temperatur des Verbrennungsmotors zu erzielen, ist es beispielsweise auch möglich, dass, wie bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt, die mit einer Reduzierung der Verbrennungstemperatur verbunden ist.
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Der im Kühlmittelkreislauf 14 angeordnete Wärmespeicher 28 ermöglicht eine Speicherung der Wärme. Insbesondere kann der Wärmespeicher 28 als Puffer verwendet werden, um ein Überhitzen des Kühlmittelkreislaufs 14 zu verhindern bzw. die entstehende Wärme zu speichern und sie zu einem späteren Zeitpunkt abzugeben.
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Um die Abgasturboladerbaugruppe 12 möglichst kompakt zu gestalten, ist es möglich, dass der Wärmetauscher 26 an einem der Abgassammelkanäle 20a, 20b montiert und gegenüber diesem isoliert ist, sodass zwischen den Abgassammelkanälen 20a, 20b und dem Wärmetauscher 26 kein direkter Wärmeaustausch erfolgt. Dieser erfolgt ausschließlich durch das Abgas, das durch den Bypasskanal 22 strömt.
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Abhängig von der Anzahl der Zylinder des Verbrennungsmotors können statt der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten zwei Abgassammelkanäle 20a, 20b auch mehrere Abgassammelkanäle genutzt werden. Erfindungsgemäß sind zumindest zwei dieser Abgassammelkanäle über eine Bypassleitung 22 miteinander verbunden, in der ein Wärmetauscher 26 angeordnet ist.
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Wird ein oder werden mehrere Abgasnachbehandlungsverfahren über die Abgasreinigungsanlage beziehungsweise die Abgasnachbehandlungsanlage durchgeführt, kann das Sperrventil bei Unterschreitung der vorgegebenen Betriebstemperatur des Abgasnachbehandlungsverfahrens geschlossen bleiben.
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Ferner oder alternativ kann bei schneller Lasterhöhung bis in den Aufladebetrieb das Sperrventil bis zum Erreichen des geforderten Ladedrucks geschlossen bleiben. Damit wird die Leistung der Abgasturbine erkennbar erhöht.
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Schließlich ist es alternativ oder zusätzlich möglich, zum Laden des Wärmespeichers, der nach dem Wärmetauscher vorhanden ist, das Ventil zu öffnen.
