DE102015203172A1

DE102015203172A1 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine umfassend einen Radialverdichter mit im Diffusor angeordneter Leiteinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015203172A1
Application number: DE102015203172.1A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Frank Wunderlich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-08-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Radialverdichter (2a) umfasst, wobei – der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2b) auf einer drehbaren Welle (2d) gelagerten Laufrad (2c) ausgestattet ist, – in dem Verdichtergehäuse (2b) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) ein Diffusor (7) ausgebildet ist, – in dem Diffusor (7) Leitschaufeln (5b) einer Leiteinrichtung (5) angeordnet sind, und – die Leiteinrichtung (5) einen ringförmigen Träger (5a) umfasst, der die Leitschaufeln (5b) der Leiteinrichtung (5) aufnimmt. Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, deren Abgasturbolaufladung verbessert ist. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – der ringförmige Träger (5a) mitsamt Leitschaufeln (5b) als um die Welle (2d) des Verdichters (2) umlaufender Träger (5a) ausgebildet ist, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb (6) zum bedarfsgerechten Antrieb des Trägers (5a) vorgesehen ist, mit welchem dem ringförmigen Träger (5a) eine Umlaufbewegung in mindestens eine Drehrichtung aufzwingbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Radialverdichter umfasst, wobei

– der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
– in dem Verdichtergehäuse stromabwärts des mindestens einen Laufrades ein Diffusor ausgebildet ist,
– in dem Diffusor Leitschaufeln einer Leiteinrichtung angeordnet sind, und
– die Leiteinrichtung einen ringförmigen Träger umfasst, der die Leitschaufeln der Leiteinrichtung aufnimmt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird. Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie nimmt weiter ständig zu.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Häufig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Aufladung dient – wie bereits erwähnt – der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden.
Die Auslegung der Abgasturboaufladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl n_mot beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl n_mot verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis und der Ladedruck ebenfalls abnehmen, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Grundsätzlich kann dem Abfall des Ladedruckes durch eine Verkleinerung des Turbinenquerschnittes und der damit einhergehenden Steigerung des Turbinendruckverhältnisses entgegengewirkt werden. Damit wird der Drehmomentabfall aber nur weiter zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnittes, Grenzen gesetzt, da der Abgasgegendruck stromaufwärts der Turbine hin zu größeren Abgasmengen steigt, wodurch der Ladungswechsel nachteilig beeinflusst und der Kraftstoffverbrauch erhöht wird.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Der Abgasturbolader kann auch auf hohe Drehzahlen, d. h. große Abgasmengen, abgestimmt mit einem großen Turbinenquerschnitt ausgelegt werden. Dabei wird das Ansaugsystem vorzugsweise 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.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge – ähnlich einer Registeraufladung – Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das 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 Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Das Ansprechverhalten einer derart aufgeladenen Brennkraftmaschine ist deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
Zur Realisierung einer kostengünstigen Abgasturboaufladung ist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit nur einem bzw. mindestens einem Abgasturbolader ausgestattet. Gegenüber dem Vorsehen mehrerer Abgasturbolader hat das Vorsehen eines einzelnen Abgasturboladers auch Gewichtsvorteile. Des Weiteren reduziert sich der Raumbedarf der Aufladevorrichtung im Motorraum.
Das Ansprechverhalten einer einstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine leidet, falls der Verdichter zur Generierung eines hohen Ladedrucks bei Volllast bzw. höheren Drehzahlen mit einem großen Laufrad ausgestattet wird, dessen Laufzeug träger ist und sich daher weniger schnell beschleunigen lässt.
Ein derartiger Verdichter erweist sich insbesondere bei kleineren Verdichterströmen, d. h. kleineren Ladeluftmengen, als unbefriedigend. Sinkt die Ladeluftmenge, wird die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld vergleichsweise früh erreicht, d. h. im Vergleich zu einer zweistufigen Aufladung. Bei kleineren Verdichterströmen kann kein ausreichend hoher Ladedruck generiert werden, wodurch sich die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich spürbar verschlechtert. Ein Pumpen des Verdichters ist wahrscheinlich. Zu beobachten ist eine zumindest teilweise Strömungsumkehr im Verdichter. Damit einhergehend ist eine erhöhte Geräuschemission zu verzeichnen.
Um den vorstehend beschriebenen Effekten entgegen zu wirken und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich zu verbessern, werden Radialverdichter nach dem Stand der Technik mit einer Leiteinrichtung ausgestattet, die Leitschaufeln umfasst und stromabwärts des mindestens einen Laufrades im Gehäusediffusor angeordnet ist.
Eine derartige Leiteinrichtung beschreibt beispielsweise die DE 603 07 571 T2 , deren Leiteinrichtung einen – vorzugsweise drehbaren – Ring umfasst, der eine Vielzahl von verschwenkbaren Leitelementen aufnimmt. Der Ring ist nur in einem begrenzten Winkelbereich verdrehbar und dient neben der beweglichen Lagerung der Leitelemente insbesondere der aufeinander abgestimmten Verstellung der Leitelemente.
Die Leiteinrichtung als solche dient dazu, die kinetische Energie der komprimierten Ladeluft in einen höheren statischen Druck umzuwandeln und damit das Ladedruckverhältnis des Verdichters, insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen, zu erhöhen.
Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des mindestens einen umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln der Leiteinrichtung nicht. D. h. die Leitschaufeln sind stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern verdrehbar, so dass auf die abströmende Ladeluft Einfluss genommen werden kann. Die Leiteinrichtung der DE 603 07 571 T2 ist eine verstellbare Leiteinrichtung.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Radialverdichter umfasst, wobei

– der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
– in dem Verdichtergehäuse stromabwärts des mindestens einen Laufrades ein Diffusor ausgebildet ist,
– in dem Diffusor Leitschaufeln einer Leiteinrichtung angeordnet sind, und
– die Leiteinrichtung einen ringförmigen Träger umfasst, der die Leitschaufeln der Leiteinrichtung aufnimmt,

– der ringförmige Träger mitsamt Leitschaufeln als um die Welle des Verdichters umlaufender Träger ausgebildet ist, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb zum bedarfsgerechten Antrieb des Trägers vorgesehen ist, mit welchem dem ringförmigen Träger eine Umlaufbewegung in mindestens eine Drehrichtung aufzwingbar ist.

Im Gegensatz zu dem Ring der DE 603 07 571 T2 , der nur in einem begrenzten Winkelbereich verdrehbar ist, um die Leitelemente im Einklang miteinander zu verstellen, handelt es sich bei dem ringförmigen Träger der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine um einen umlaufenden Träger, so dass der Träger mitsamt Leitschaufeln, wie das mindestens eine umlaufende Laufrad, um die Welle des Verdichters rotiert bzw. rotieren kann, sobald ein elektrischer Hilfsantrieb die erforderliche Antriebsleistung zur Verfügung stellt. Im Gegensatz zum Laufrad, welches verdrehfest mit der Verdichterwelle verbunden ist, ist der Träger aber gegenüber der Welle des Verdichters verdrehbar.
Mit der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung kann in vorteilhafter Weise Einfluss genommen werden auf das Verdichterkennfeld bzw. das Betriebsverhalten des Verdichters.
Bei kleinen Ladeluftmengen, wenn die Gefahr besteht, dass der Verdichter pumpt und stromaufwärts der Zylinder kein ausreichend hoher Ladedruck zur Verfügung steht, kann die erfindungsgemäße Leiteinrichtung als Radialgebläse genutzt werden, um die Ladeluftströmung durch den Verdichter hindurch zu fördern. Auf diese Weise lässt sich ein Rückströmen im Verdichter, d. h. eine Strömungsumkehr, und die damit einhergehende Geräuschemission unterbinden. Die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich verbessert sich spürbar. Der beschaufelte Träger wird dabei mittels Hilfsantrieb vorzugsweise gegensinnig zu dem mindestens einen Laufrad des Verdichters angetrieben.
Mit der erfindungsgemäßen Leiteinrichtung lässt sich die komprimierte Ladeluftströmung aber grundsätzlich beeinflussen und nicht nur, wenn die Gefahr eines Pumpens besteht. So kann durch eine geeignete Drehbewegung des beschaufelten Trägers Einfluss auf den Anströmwinkel der aus dem Laufzeug austretenden Ladeluftströmung beim Eintritt in die Leiteinrichtung genommen werden. Die Umwandlung der kinetischen Energie der komprimierten Ladeluft in statischen Druck lässt sich auf diese Weise optimieren. Damit kann das Ladedruckverhältnis des Verdichters, insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen, erhöht werden. Der beschaufelte Träger wird dabei mittels Hilfsantrieb vorzugsweise gleichsinnig mit dem mindestens einen Laufrad des Verdichters angetrieben.
Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, deren Abgasturbolaufladung weiter verbessert ist.
Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers um einen Radialverdichter. Ein Radialverdichter ist ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Diese Bauweise gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt wird, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers häufig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt. Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Laufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und sich der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht.
Vorteilhaft sind des Weiteren Ausführungsformen, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Träger mittels Hilfsantrieb gegensinnig zu dem mindestens einen Laufrad des Verdichters drehbar ist.
Eine gegenüber dem mindestens einen Laufrad gegensinnige Drehbewegung des beschaufelten Trägers erweist sich insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen als vorteilhaft, um einem Pumpen des Verdichters entgegen zu wirken. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung wird dabei als Radialgebläse eingesetzt, um die Ladeluftströmung durch den Verdichter hindurch anzusaugen. Eine Strömungsumkehr im Verdichter wird auf diese Weise unterbunden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der ringförmige Träger mittels Hilfsantrieb gleichsinnig mit dem mindestens einen Laufrad des Verdichters drehbar ist.
Eine mit dem mindestens einen Laufrad gleichsinnige Drehbewegung des beschaufelten Trägers erweist als vorteilhaft bei der Umwandlung der kinetischen Energie der Ladeluftströmung in statischen Druck. Der Druck am Austritt des Verdichters und damit das Ladedruckverhältnis des Verdichters lassen sich erhöhen.
Durch eine geeignete Drehbewegung des beschaufelten Trägers kann Einfluss genommen werden auf den Anströmwinkel der Ladeluftströmung beim Eintritt in die Leiteinrichtung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Hilfsantrieb ein Elektromotor ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst. Mittels Elektromotor lässt sich ein bedarfsgerechter Antrieb des beschaufelten Trägers realisieren, wobei man unabhängig ist vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Ein Elektromotor eröffnet zudem in einfacher Weise die Möglichkeit, dem ringförmigen Träger eine Umlaufbewegung in unterschiedliche Drehrichtungen aufzuzwingen. So kann beispielsweise durch eine Umkehrung der Richtung des elektrischen Stroms von einer gegensinnigen Drehbewegung auf eine gleichsinnige Drehbewegung gewechselt werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator zumindest auch im Verdichtergehäuse angeordnet und gelagert ist.
Der feststehende Stator kann bei einem Gleichstrommotor als Dauermagnet ausgeführt werden. Alternativ erfolgt eine Fremderregung über eine Erregerspule, wie beim Wechselstrommotor. Wird Strom durch die Spule geleitet, baut sich ein Magnetfeld auf.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Rotor mit dem ringförmigen Träger verbunden ist.
Im Inneren des Stators ist ein Rotor angeordnet, der drehbar im Magnetfeld des Stators angeordnet und gelagert ist. Der Rotor kann ebenfalls über eine Spule mit als Anker dienendem Eisenkern verfügen. Wird der Rotor dann bestromt, baut sich auch im Rotor ein Magnetfeld auf, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt, so dass sich der Rotor dreht. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie bzw. eine Bewegung des Rotors und damit des Trägers umgewandelt werden. Das Magnetfeld im Rotor steht relativ zum Stator fest.
Vorteilhaft können somit Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Rotor eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Rotor mindestens einen Dauermagneten zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst. Dann muss der Stator aber eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betreffend eine bestrombare Rotorspule, welche eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors erfordert, handelt es sich vorliegend um eine Variante, welche keine Stromumkehr und damit keine Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist weniger komplex, weist einen geringeren Raumbedarf auf und eignet sich daher für Anwendungen mit wenig Bauraum. Ein weiterer Vorteil des Dauermagneten ist das höhere Rastmoment bei deaktiviertem Elektromotor, d. h. bei nicht bestromter Statorspule, d. h. Erregerspule.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Lagergehäuse zur Aufnahme der drehbaren Welle des Verdichters, sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Rotor drehbar am Lagergehäuse gelagert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Verdichtergehäuse stromabwärts des Diffusors eine Sammelleitung für die komprimierte Ladeluft vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des Verdichters ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Vorteile einer Ladeluftkühlung wurden bereits erörtert.
Bei einer mehrstufigen Aufladung können Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen zwischen den Verdichtern ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Temperatur der in der Niederdruckstufe komprimierten Ladeluft und steigert damit auch die Dichte der Ladeluft, wodurch die Verdichtung in der Hochdruckstufe verbessert wird und die Austrittstemperatur der Hochdruckstufe bei gleichem Gesamtdruckverhältnis der Aufladegruppe abgesenkt werden kann. Dies bietet auch einen Schutz vor thermischer Überbeanspruchung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leitschaufeln relativ zum ringförmigen Träger bewegbar ausgeführt sind, so dass die Leiteinrichtung eine verstellbare Leiteinrichtung ist. Der Anströmwinkel der Ladeluftströmung beim Eintritt in die Leiteinrichtung lässt sich mittels verstellbarer Leitschaufeln optimieren.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dem ringförmigen Träger unterhalb einer ersten vorgebbaren Drehzahl n_mot,1 der Brennkraftmaschine mittels zugeschaltetem Hilfsantrieb eine Umlaufbewegung gegensinnig zur Drehrichtung des mindestens einen Laufrades des Verdichters aufgezwungen wird.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen n_mot ist aufgrund der dann vorliegenden kleinen Ladeluftmengen die Gefahr des Pumpens gegeben. Dann wird die Leiteinrichtung erfindungsgemäß vorzugsweise als Radialgebläse eingesetzt, um die Ladeluftströmung durch den Verdichter zu ziehen.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen dem ringförmigen Träger oberhalb einer zweiten vorgebbaren Drehzahl n_mot,2 der Brennkraftmaschine mittels zugeschaltetem Hilfsantrieb eine Umlaufbewegung gleichsinnig mit der Drehrichtung des mindestens einen Laufrades des Verdichters aufgezwungen wird.
Bei höheren Drehzahlen n_mot und größeren Ladeluftmengen ist eine Förderung der Ladeluftströmung durch den Verdichter mittels Radialgebläse nicht erforderlich, so dass der beschaufelte Träger genutzt werden kann, um den Anströmwinkel zu optimieren bzw. die Bewegungsenergie der Ladeluftströmung möglichst effektiv in statischen Druck umzuwandeln.
Vorteilhaft sind daher auch Verfahrensvarianten, bei denen ausgehend von einer gegensinnigen Umlaufbewegung des Trägers bei Überschreiten einer dritten vorgebbaren Drehzahl n_mot,3 der Brennkraftmaschine die Drehbewegung des Trägers umgekehrt wird, so dass dem ringförmigen Träger mittels Hilfsantrieb eine Umlaufbewegung gleichsinnig mit der Drehrichtung des mindestens einen Laufrades des Verdichters aufgezwungen wird.
Vorteilhaft sind grundsätzlich Verfahrensvarianten, bei denen der Hilfsantrieb abgeschaltet wird, um die Leiteinrichtung als nicht umlaufende statische Leiteinrichtung zu nutzen. Dann ist die Leiteinrichtung eine statische Leiteinrichtung, wobei das Rastmoment des Elektroantriebs für eine ausreichende ortsfeste Fixierung sorgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Leiteinrichtung, teilweise im Halbschnitt, und
2 schematisch in der Seitenansicht das Laufrad des Verdichters der in 1 dargestellten Ausführungsform mitsamt Leiteinrichtung.
1 zeigt schematisch den im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Leiteinrichtung 5, teilweise im Halbschnitt.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1. Zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst.
Der Verdichter 2 ist ein Radialverdichter 2a, in dessen Gehäuse 2b ein Laufschaufeln 2e umfassendes Laufrad 2c auf einer drehbaren Welle 2d gelagert ist. Die Welle 2d des Verdichters 2 ist in einem Lagergehäuse 3 drehbar gelagert. Der Verdichter 2 des Abgasturboladers weist einen Eintrittsbereich auf, der koaxial zur Welle 2d des Verdichters 2 verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2 des Abgasturboladers im Wesentlichen axial erfolgt. Das Verdichtergehäuse 2b ist als Spiralgehäuse ausgeführt, wobei die Ladeluftströmung stromabwärts des Laufrades 2c einen Diffusor 7 durchströmt, dessen Strömungsquerschnitt sich aufgrund des zunehmenden Abstandes zur Welle 2d in Strömungsrichtung vergrößert. Der Diffusor 7 mündet in eine Sammelleitung 4 für die komprimierte Ladeluft, welche sich spiralförmig um den Diffusor 7 legt.
Es ist eine Leiteinrichtung 5 vorgesehen, die einen ringförmigen Träger 5a umfasst, der die Leitschaufeln 5b der Leiteinrichtung 5 aufnimmt, d. h. trägt. Der ringförmige Träger 5a mitsamt Leitschaufeln 5b ist als um die Welle 2d des Verdichters 2 umlaufender Träger 5a ausgebildet, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb 6 zum bedarfsgerechten Antrieb des Trägers 5a vorgesehen ist, mit welchem dem ringförmigen Träger 5a eine Umlaufbewegung in unterschiedliche, d. h. beide Drehrichtungen aufgezwungen werden kann (siehe auch 2).
Vorliegend ist der Hilfsantrieb 6 ein Elektromotor 6, der einen Stator 6a und einen Rotor 6b umfasst. Der Stator 6a ist im Verdichtergehäuse 2b angeordnet und gelagert und verfügt über eine bestrombare Spule 6a' zum Aufbau eines Magnetfeldes. Wird Strom durch diese Erregerspule 6a' geleitet, baut sich ein fremderregtes Magnetfeld auf. Der Rotor 6b weist einen Dauermagneten 6b' zum Aufbau eines Magnetfeldes auf, wobei der Rotor 6b im Inneren des Stators 6a angeordnet und im Magnetfeld des Stators 6a drehbar gelagert ist. Die Lagerung 6c des Rotors 6b und damit die Lagerung 5c des mit dem Rotor 6b verbundenen ringförmigen Trägers 5a übernimmt das Lagergehäuse 3
Wird der Stator 6a bestromt, baut sich im Stator 6a ein Magnetfeld auf, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Dauermagneten 6b' tritt, so dass sich der Rotor 6b und der mit dem Rotor 6b verbundene ringförmige Träger 5a drehen.
2 zeigt schematisch in der Seitenansicht das Laufrad 2c des Verdichters 2 der in 1 dargestellten Ausführungsform mitsamt Leiteinrichtung 5. Es soll nur ergänzend zu 1 ausgeführt werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der ringförmige Träger 5a mitsamt Leitschaufeln 5b kann mittels Hilfsantrieb gegensinnig zum Laufrad 2c des Verdichters 2 und gleichsinnig mit dem Laufrad 2c des Verdichters 2 gedreht werden, d. h. umlaufen (siehe Doppelpfeil am äußern Umfang).
Eine gegensinnige Drehbewegung des beschaufelten Trägers 5a erweist sich zur Vermeidung von Pumpen als vorteilhaft, wobei die Leiteinrichtung 5 als Radialgebläse betrieben wird, um die kleinen Ladeluftmengen durch den Verdichter zu saugen.
Eine gleichsinnige Drehbewegung des beschaufelten Trägers 5 unterstützt die Umwandlung der kinetischen Energie der Ladeluftströmung in statischen Druck. Das Ladedruckverhältnis des Verdichters lässt sich erhöhen und damit die Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine verbessern.
Durch eine geeignete Drehbewegung des beschaufelten Trägers 5a kann Einfluss genommen werden auf den Anströmwinkel der Ladeluftströmung beim Eintritt in die Leiteinrichtung 5.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Verdichter des Abgasturboladers
2a: Radialverdichter
2b: Verdichtergehäuse des Abgasturboladers
2c: Laufrad
2d: Welle des Verdichters
2e: Laufschaufel
3: Lagergehäuse
4: Sammelleitung
5: Leiteinrichtung
5a: ringförmiger Träger
5b: Leitschaufel
5c: Lagerung des Träger
6: Elektrischer Hilfsantrieb, Elektromotor
6a: Stator
6a': Spule, Erregerspule
6b: Rotor
6b': Dauermagnet
6c: Lagerung des Rotors
7: Diffusor
n_mot: Drehzahl der Brennkraftmaschine
n_mot,1: erste vorgebbare Drehzahl für eine gegensinnige Drehrichtung
n_mot,2: zweite vorgebbare Drehzahl für eine gleichsinnige Drehrichtung
n_mot,3: dritte vorgebbare Drehzahl für eine Umkehrung der Drehrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60307571 T2 [0024, 0026, 0030]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Radialverdichter (2a) umfasst, wobei – der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2b) auf einer drehbaren Welle (2d) gelagerten Laufrad (2c) ausgestattet ist, – in dem Verdichtergehäuse (2b) stromabwärts des mindestens einen Laufrades (2c) ein Diffusor (7) ausgebildet ist, – in dem Diffusor (7) Leitschaufeln (5b) einer Leiteinrichtung (5) angeordnet sind, und – die Leiteinrichtung (5) einen ringförmigen Träger (5a) umfasst, der die Leitschaufeln (5b) der Leiteinrichtung (5) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass – der ringförmige Träger (5a) mitsamt Leitschaufeln (5b) als um die Welle (2d) des Verdichters (2) umlaufender Träger (5a) ausgebildet ist, wobei ein elektrischer Hilfsantrieb (6) zum bedarfsgerechten Antrieb des Trägers (5a) vorgesehen ist, mit welchem dem ringförmigen Träger (5a) eine Umlaufbewegung in mindestens eine Drehrichtung aufzwingbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Träger (5a) mittels Hilfsantrieb (6) gegensinnig zu dem mindestens einen Laufrad (2c) des Verdichters (2) drehbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Träger (5a) mittels Hilfsantrieb (6) gleichsinnig mit dem mindestens einen Laufrad (2c) des Verdichters (2) drehbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (6) ein Elektromotor (6) ist, der einen Stator (6a) und einen Rotor (6b) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6a) zumindest auch im Verdichtergehäuse (2b) angeordnet und gelagert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (6a) eine bestrombare Spule (6a') zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6b) mit dem ringförmigen Träger (5a) verbunden ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6b) eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6b) mindestens einen Dauermagneten (6b') zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9 mit einem Lagergehäuse (3) zur Aufnahme der drehbaren Welle (2d) des Verdichters (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6b) drehbar am Lagergehäuse (3) gelagert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtergehäuse (2b) stromabwärts des Diffusors (7) eine Sammelleitung (4) für die komprimierte Ladeluft vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Verdichters (2) ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (5b) relativ zum ringförmigen Träger (5a) bewegbar ausgeführt sind, so dass die Leiteinrichtung (5) eine verstellbare Leiteinrichtung (5) ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ringförmigen Träger (5a) unterhalb einer ersten vorgebbaren Drehzahl n_mot,1 der Brennkraftmaschine mittels zugeschaltetem Hilfsantrieb (6) eine Umlaufbewegung gegensinnig zur Drehrichtung des mindestens einen Laufrades (2c) des Verdichters (2) aufgezwungen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem ringförmigen Träger (5a) oberhalb einer zweiten vorgebbaren Drehzahl n_mot,2 der Brennkraftmaschine mittels zugeschaltetem Hilfsantrieb (6) eine Umlaufbewegung gleichsinnig mit der Drehrichtung des mindestens einen Laufrades (2c) des Verdichters (2) aufgezwungen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer gegensinnigen Umlaufbewegung des Trägers (5a) bei Überschreiten einer dritten vorgebbaren Drehzahl n_mot,3 der Brennkraftmaschine die Drehbewegung des Trägers (5a) umgekehrt wird, so dass dem ringförmigen Träger (5a) mittels Hilfsantrieb (6) eine Umlaufbewegung gleichsinnig mit der Drehrichtung des mindestens einen Laufrades (2c) des Verdichters (2) aufgezwungen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (6) abgeschaltet wird, um die Leiteinrichtung (5) als nicht umlaufende statische Leiteinrichtung (5) zu nutzen.