DE102015208971A1

DE102015208971A1 - Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Ladeluftkühlung

Info

Publication number: DE102015208971A1
Application number: DE102015208971.1A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Franz J. Brinkmann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder, – einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, – mindestens einem Abgasturbolader (4), der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete ATL-Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten ATL-Verdichter (4b) umfasst, und – mindestens einer Ladeluftkühlung (6), die einen Kühler (6a) umfasst, welcher im Ansaugsystem (2) stromabwärts des ATL-Verdichters (4b) angeordnet ist. Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung (6) verbessert ist und mit der insbesondere hohe Leistungen bereitgestellt werden können. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – die mindestens eine Ladeluftkühlung (6) einen Abgasturbolader (8) umfasst, der eine im Ansaugsystem (2) auf einer Welle angeordnete LLK-Turbine (8a) und einen stromaufwärts dieser LLK-Turbine (8a) im Ansaugsystem (2) auf der Welle angeordneten LLK-Verdichter (8b) umfasst, wobei zwischen der LLK-Turbine (8a) und dem LLK-Verdichter (8b) der Kühler (6a) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete ATL-Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten ATL-Verdichter umfasst, und
– mindestens einer Ladeluftkühlung, die einen Kühler umfasst, welcher im Ansaugsystem stromabwärts des ATL-Verdichters angeordnet ist.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren und Dieselmotoren, 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.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine aufgeladene Brennkraftmaschine. Die Aufladung dient in erster Linie 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 gemäß einem Downsizing verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Vorliegend wird für die Aufladung mindestens 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. Vorteilhafterweise 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 Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil des Abgasturboladers gegenüber 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.
Andererseits bereitet es bei der Abgasturboaufladung häufig Schwierigkeiten, auch bei niedrigen Drehzahlen einen ausreichend hohen Ladedruck zu generieren und bereitzustellen. Bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl wird ein Drehmomentabfall beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet die Abgasmenge eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist. Zudem wird das abgeblasene Abgas nach dem Stand der Technik ohne weitere Verwendung an der Turbine vorbei geführt, ohne dass die im heißen Abgas verfügbare Energie genutzt wird.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere, d. h. mindestens zwei parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge 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 die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich 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. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
Hinsichtlich der Abgasturboaufladung von Brennkraftmaschinen muss festgestellt werden, dass eine Verbesserung der Drehmomentcharakteristik insbesondere bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen von Bedeutung ist, weshalb auch der Einsatz eines mechanischen Laders, gegebenenfalls in Kombination mit einem Abgasturbolader, vorteilhaft sein kann. Zur Unterstützung eines Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleinen Abgasmengen kann auch ein elektrischer Hilfsantrieb eingesetzt werden.
Im Zusammenhang mit der Aufladung ist auch eine weitergehende Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine von besonderem Interesse, d. h. eine Weiterführung des Downsizings. Es wird angestrebt, jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine möglichst große Luftmasse zuzuführen. Dabei wird unter anderem eine effektive verbesserte Ladeluftkühlung als zielführend angesehen.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist mit einer Abgasturboaufladung und einer Ladeluftkühlung ausgestattet.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung verbessert ist und die insbesondere hohe Leistungen bereitstellen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder,
– einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder,
– mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete ATL-Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten ATL-Verdichter umfasst, und
– mindestens einer Ladeluftkühlung, die einen Kühler umfasst, welcher im Ansaugsystem stromabwärts des ATL-Verdichters angeordnet ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– die mindestens eine Ladeluftkühlung einen Abgasturbolader umfasst, der eine im Ansaugsystem auf einer Welle angeordnete LLK-Turbine und einen stromaufwärts dieser LLK-Turbine im Ansaugsystem auf der Welle angeordneten LLK-Verdichter umfasst, wobei zwischen der LLK-Turbine und dem LLK-Verdichter der Kühler vorgesehen ist.

Die Ladeluft wird erfindungsgemäß vor der Kühlung bzw. im Rahmen der Ladeluftkühlung komprimiert, wozu ein Verdichter im Ansaugsystem vorgesehen ist. Ebenfalls im Ansaugsystem und stromabwärts des Kühlers der Ladeluftkühlung ist eine Turbine angeordnet, in der die gekühlte Ladeluft expandieren kann, wodurch die Lufttemperatur nochmals deutlich abgesenkt wird.
Erfindungsgemäß sind der Verdichter und die Turbine zu einem Abgasturbolader zusammengefasst und auf derselben Welle des Laders angeordnet, so dass die Turbine, die im Weiteren auch als LLK-Turbine bezeichnet wird, den Verdichter, der im Weiteren auch als LLK-Verdichter bezeichnet wird, zumindest mit antreibt. Regelmäßig reicht die von der LLK-Turbine bereitgestellte Leistung für den Antrieb des LLK-Verdichters nicht aus, weshalb ein Hilfsantrieb zur Unterstützung des Abgasturboladers vorzusehen ist, der im Bedarfsfall aktiviert wird und die Leistungslücke für den Antrieb des LLK-Verdichters schließt.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass das Turbinendruckverhältnis vorzugsweise nicht größer sein sollte als das Verdichterdruckverhältnis. Der Ladedruck sollte also stromabwärts der LLK-Turbine in vorteilhafter Weise nicht niedriger sein als stromaufwärts des LLK-Verdichters. In jedem Fall nicht viel niedriger, da ansonsten der mittels Abgasturboaufladung generierte Ladedruck im Rahmen der Kühlung zu stark abgebaut werden würde.
Dadurch, dass die Ladeluft erfindungsgemäß vor der Kühlung komprimiert wird, ergeben sich mehrere vorteilhafte Effekte. Zum einen kann ein gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise kleinvolumiger Kühler vorgesehen werden, der ein dichtes Packaging der Ladeluftkühlung und damit des gesamten Ansaugsystems ermöglicht. Zum anderen eröffnet erst die Kompression eine nach der Kühlung stattfindende Expansion, bei der sich die Ladeluft nochmals deutlich abkühlt.
Die erfindungsgemäße Kühlung der Ladeluft führt im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühlung ohne Kompression und Expansion zu wesentlich niedrigeren Lufttemperaturen, weshalb die erfindungsgemäße Vorgehensweise eine hohe Leistungssteigrung ermöglicht und damit eine hohe Leistung der Brennkraftmaschine sicherstellt. Das Downsizing wird forciert.
Der Abgasturbolader der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung wird thermisch nicht besonders stark belastet, weshalb die LLK-Turbine und der LLK-Verdichter aus thermisch weniger belastbaren Werkstoffen gefertigt werden können, vorzugsweise aus Kunststoff. Das ist kostengünstig und führt zudem zu einem geringen Gewicht.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst folglich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung verbessert ist und die insbesondere hohe Leistungen bereitstellen kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind aus bereits genannten Gründen Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Abgasturbolader der mindestens einen Ladeluftkühlung mit einem Hilfsantrieb ausgestattet ist, der bei Bedarf zwecks Unterstützung zuschaltbar ist.
Reicht die von der LLK-Turbine bereitgestellte Leistung für den Antrieb des LLK-Verdichters nicht aus, ist Unterstützung erforderlich und die für den LLK-Verdichter bereitstehende Antriebsleistung muss unter Verwendung des Hilfsantriebs erhöht werden.
Vorteilhaft sind dabei insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein elektrischer Hilfsantrieb vorgesehen ist, vorzugsweise ein elektrischer Hilfsantrieb, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor des elektrischen Hilfsantriebs auf der Welle des Abgasturboladers angeordnet ist.
Der elektrische Hilfsantrieb als Elektromotor umfasst einen Stator und einen Rotor. So kann ein Elektromotor, d. h. ein elektrischer Antrieb, ausgebildet werden mit einem drehfähigen Rotor und einem gehäusefest, d. h. beispielsweise im Gehäuse des Abgasturboladers, angeordneten Stator, der den vorzugsweise aus einem magnetischen Material gefertigten radförmig ausgebildeten Rotor umfänglich umgreift. Bei einer Bestromung des Stators, vorzugsweise einer Spule, wird eine den Rotor drehende elektromagnetische Kraft erzeugt.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, bei denen der Stator eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst, sowie Ausführungsformen, bei denen der Rotor mindestens einen Dauermagneten zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft können grundsätzlich auch Ausführungsformen sein, bei denen der Rotor eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst. Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform, gemäß der der Rotor mindestens einen Dauermagneten umfasst, erfordert eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors, welche eine Stromumkehr und damit Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist komplexer und weist einen höheren Raumbedarf auf, weshalb sie für die vorliegende Anwendung mit wenig Bauraum eher ungeeignet ist, aber dennoch grundsätzlich möglich.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Stator mindestens einen Dauermagneten zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst. Dann muss der Rotor aber eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein mechanischer Hilfsantrieb vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mechanische Hilfsantrieb ein Zugmitteltrieb ist, der neben einem Zugmittel ein auf einer Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad umfasst, das auf der Welle des Abgasturboladers angeordnet ist, wobei das Zugmittel um das antreibende erste Rad und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad geführt ist. Das Zugmittel kann ein Riemen oder eine Kette sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der im Ansaugsystem vorgesehene Abgasturbolader der Ladeluftkühlung und der im Ansaugsystem vorgesehene Kühler der Ladeluftkühlung eine bauliche Einheit bilden, d. h. zumindest teilweise integral ausgebildet sind und beispielsweise ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Dies ermöglicht ein dichtes Packaging und vereinfacht auch die Montage.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des im Ansaugsystem angeordneten Abgasturboladers der mindestens einen Ladeluftkühlung vorgesehen ist. Unter Umständen wird die Zuführung von ungekühlter Ladeluft bevorzugt, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Wenn die Ladeluft nicht gekühlt werden soll bzw. nicht gekühlt zu werden braucht, ist auch keine Verdichtung der Ladeluft mittels LLK-Verdichter erforderlich und eine Entspannung in der LLK-Turbine kann ebenfalls entfallen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung stromaufwärts des LLK-Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts der LLK-Turbine in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete ATL-Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten ATL-Verdichter umfasst.
Die motornahe Anordnung der Turbine des einzigen Abgasturboladers ist problemlos möglich, weshalb sich die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen lässt und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers gewährleistet werden kann. Der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung und auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine.
Die Verwendung eines einzelnen Abgasturboladers anstelle mehrerer Turbolader ist hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades der Brennkraftmaschine vorteilhafter. Zudem entfällt ein Umschalten zwischen mehreren Abgasturboladern bzw. ein Zu- und Abschalten eines Abgasturboladers. Auch dies erweist sich als vorteilhaft hinsichtlich der Drehmomentcharakteristik und verhindert insbesondere einen kurzzeitigen Drehmomenteinbruch. Die motornahe Anordnung der Turbine des einzigen Abgasturboladers gestattet ein dichtes Packaging der gesamten Antriebseinheit.
Bei Verwendung mehrerer Abgasturbolader, beispielsweise einer zweistufigen Aufladung, bereitet die motornahe Anordnung aller Turbinen prinzipbedingt Probleme.
Vorteilhaft können nichtsdestotrotz auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete ATL-Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten ATL-Verdichter umfasst. Die Vorteile, die sich aus der Verwendung mehrerer Abgasturbolader ergeben, wurden bereits erörtert. Auf die entsprechenden Ausführungen wird vorliegend Bezug genommen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Bypassleitung aufweist. Dann kann im Rahmen einer Abgasabblasung Abgas an der Turbine vorbei geführt werden, weshalb die Turbine auf kleinere bzw. mittelgroße Abgasmengen ausgelegt werden kann. Dadurch wird die Drehmomentcharakteristik insbesondere bei niedrigen Drehzahlen bzw. kleineren Abgasmengen spürbar verbessert. Die Auslegung der Turbine auf kleinere bzw. mittelgroße Abgasmengen bietet sich an, falls in weiten Bereichen des Motorkennfeldes Abgas in nicht unerheblichen Mengen zurückgeführt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Die variable Turbinengeometrie gestattet eine weitgehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes. Dabei sind stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine, d. h. dem Laufrad. Die Leitschaufeln sind stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt die Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der zur ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers gehörende ATL-Verdichter eine variable Verdichtergeometrie aufweist.
Insbesondere wenn nur eine geringe Abgasmenge durch die Turbine geleitet wird, erweist sich eine variable Verdichtergeometrie als vorteilhaft, da die Pumpgrenze des Verdichters durch Verstellen der Leitschaufeln im Verdichterkennfeld hin zu kleinen Verdichterströmen verschoben werden kann und so ein Arbeiten des Verdichters jenseits der Pumpgrenze vermieden wird. Vorteile bietet die veränderbare Verdichtergeometrie daher auch, wenn große Abgasmengen zurückgeführt werden, um hohe Rückführraten zu realisieren. Verfügt die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers über eine variable Turbinengeometrie kann die variable Verdichtergeometrie auf die Turbinengeometrie kontinuierlich abgestimmt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen ist. Die elektrische Energie wird benötigt, um einen gegebenenfalls vorgesehenen elektrischen Hilfsantrieb zu versorgen und anzutreiben.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der ATL-Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist und die ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Dies gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugsystem zwischen dem ATL-Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem LLK-Verdichter der Ladeluftkühlung ein Zwischenkühler, d. h. ein weiterer Ladeluftkühler, vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Leitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, um Abgas zurückzuführen.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können zwar auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden, beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert bzw. die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich.
Im Mittelpunkt steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Abgasen aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte – gegebenenfalls in einem Verdichter komprimierte – Frischluft bezeichnet. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 80% liegen können.
Um diese hohen Rückführraten realisieren zu können, ist eine effektive Kühlung der rückzuführenden Abgase mit einer starken Absenkung der Abgastemperatur unverzichtbar, d. h. zwingend notwendig. Daher wird in der Leitung zur Abgasrückführung vorzugsweise ein Kühler vorgesehen, der die Temperatur im heißen Abgasstrom senkt und damit die Dichte der
Abgase steigert. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Ladeluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird dadurch ebenfalls gesenkt, wodurch der Kühler in der Rückführleitung zu einer besseren Füllung der Zylinder mit Frischgemisch beiträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der mindestens einen Abgasrückführung ein Ventil zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet ist.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und Abgasrückführung ergibt sich ein Konflikt, wenn das rückzuführende Abgas gemäß einer Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.
Wird Abgas im Rahmen einer Hochdruck-AGR zurückgeführt, nimmt gleichzeitig der der Turbine zugeführte Abgasstrom ab. Der kleinere Abgasstrom durch die Turbine resultiert in einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Mit abnehmendem Turbinendruckverhältnis nimmt das Ladedruckverhältnis ebenfalls ab, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Ladeluftstrom bzw. niedrigeren Ladedruck. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen.
Aus diesem Grunde können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts der ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Eine solche Niederdruck-AGR kann anstelle oder zusätzlich zu einer Hochdruck-AGR vorgesehen werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts des ATL-Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet. Dann lässt sich das zur Förderung des rückzuführenden Abgases erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem regelmäßig einfacher realisieren, als wenn die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des ATL-Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Im Gegensatz zu der Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der ATL-Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und regelmäßig stromabwärts des ATL-Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die ATL-Turbine bereits durchströmt hat. Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen einer Niederdruck-AGR Abgas durch den ATL-Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der ATL-Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Nichtsdestotrotz können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen Abgas mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der ATL-Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird, d. h. Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts der ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem abzweigt. Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet. Das zur Förderung des rückzuführenden Abgases erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem lässt sich einfacher realisieren und damit auch größere rückzuführende Abgasmengen bzw. hohe Rückführraten.
Aus den vorstehend genannten Gründen sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts des ATL-Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet. Diese Ausführungsform sorgt für ein hohes Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem.
Nichtsdestotrotz können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des ATL-Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers in das Ansaugsystem mündet. Dann wird das rückgeführte Abgas nicht durch den ATL-Verdichter des Abgasturboladers geführt und auf eine Abgasnachbehandlung des rückzuführenden Abgases, welche regelmäßig erforderlich ist, wenn das Abgas durch den ATL-Verdichter geführt wird, kann verzichtet werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und 1b in einem Diagramm die Verdichtung, die Kühlung und die Expansion der Ladeluft im Rahmen der Ladeluftkühlung bei der in 1a dargestellten Brennkraftmaschine.
1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet sind. Zum Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern ist ein Ansaugsystem 2 vorgesehen und zum Abführen von Abgas aus den Zylindern ein Abgasabführsystem 3.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zwecks Aufladung mit einem Abgasturbolader 4 ausgestattet, der eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete ATL-Turbine 4a und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten ATL-Verdichter 4b umfasst. Das heiße Abgas entspannt sich in der ATL-Turbine 4a unter Energieabgabe an die Welle. Der ebenfalls auf der Welle angeordnete ATL-Verdichter 4b komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem 2 und Plenum 5 den Zylindern zugeführt wird, wodurch die Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erfolgt.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zudem mit einer Ladeluftkühlung 6 ausgestattet, die einen Kühler 6a umfasst, welcher im Ansaugsystem 2 stromabwärts des ATL-Verdichters 4b angeordnet ist.
Die Ladeluftkühlung 6 umfasst zudem einen Abgasturbolader 8, der eine im Ansaugsystem 2 auf einer Welle angeordnete LLK-Turbine 8a und einen stromaufwärts dieser LLK-Turbine 8a im Ansaugsystem 2 auf derselben Welle angeordneten LLK-Verdichter 8b umfasst, wobei der Kühler 6a der Ladeluftkühlung 6 zwischen der LLK-Turbine 8a und dem LLK-Verdichter 8b vorgesehen ist.
Der Abgasturbolader 8 der Ladeluftkühlung 6 ist mit einem zuschaltbaren elektrischen Hilfsantrieb 9 ausgestattet, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor des elektrischen Hilfsantriebs 9 auf der Welle des Abgasturboladers 8 angeordnet ist.
Zwischen dem ATL-Verdichter 4b des Abgasturboladers 4 und dem LLK-Verdichter 8b der Ladeluftkühlung 6 ist ein Zwischenkühler 7, d. h. ein weiterer Ladeluftkühler 7, angeordnet.
1b zeigt in einem Diagramm die Verdichtung (A nach B), die Kühlung (B nach C) und die Expansion (C nach D) der Ladeluft im Rahmen der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung bei der in 1a dargestellten Brennkraftmaschine, wobei auf der Ordinate die Temperatur in °C und auf der Abszisse die Entropie S bezogen auf die Gaskonstante R aufgetragen sind. Zum Vergleich ist eine herkömmliche isobare Ladeluftkühlung (A´ nach D´) dargestellt.
Die Kühlung (A nach D) der Ladeluft führt im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühlung ohne Kompression und Expansion (A´ nach D´) zu wesentlich niedrigeren Lufttemperaturen. Während die Ladeluft gemäß Zustand D eine Temperatur von weniger als 40°C aufweist, liegt im Zustand D´ eine Lufttemperatur von über 60°C vor. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise gewährleistet eine gute Zylinderfüllung und dadurch eine hohe Leistung bzw. große Leistungssteigerung.
Bezugszeichenliste
Ladeluftkühlung mit Kompression und Expansion:

A: Zustand der Ladeluft stromauf des LLK-Verdichters
B: Zustand der Ladeluft stromab des LLK-Verdichters und stromauf des Kühlers
C: Zustand der Ladeluft stromab des Kühlers und stromauf der LLK-Turbine
D: Zustand der Ladeluft stromab der LLK-Turbine

A´: Zustand der Ladeluft stromauf des Kühlers
D´: Zustand der Ladeluft stromab des Kühlers

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder, – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft zu dem mindestens einen Zylinder, – einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas aus dem mindestens einen Zylinder, – mindestens einem Abgasturbolader (4), der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete ATL-Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten ATL-Verdichter (4b) umfasst, und – mindestens einer Ladeluftkühlung (6), die einen Kühler (6a) umfasst, welcher im Ansaugsystem (2) stromabwärts des ATL-Verdichters (4b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Ladeluftkühlung (6) einen Abgasturbolader (8) umfasst, der eine im Ansaugsystem (2) auf einer Welle angeordnete LLK-Turbine (8a) und einen stromaufwärts dieser LLK-Turbine (8a) im Ansaugsystem (2) auf der Welle angeordneten LLK-Verdichter (8b) umfasst, wobei zwischen der LLK-Turbine (8a) und dem LLK-Verdichter (8b) der Kühler (6a) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (8) der mindestens einen Ladeluftkühlung (6) mit einem Hilfsantrieb (9) ausgestattet ist, der bei Bedarf zwecks Unterstützung zuschaltbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Hilfsantrieb (9) vorgesehen ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor des elektrischen Hilfsantriebs (9) auf der Welle des Abgasturboladers (8) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Hilfsantrieb vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Hilfsantrieb ein Zugmitteltrieb ist, der neben einem Zugmittel ein auf einer Kurbelwelle angeordnetes erstes antreibendes Rad und mindestens ein weiteres, zweites angetriebenes Rad umfasst, das auf der Welle des Abgasturboladers (8) angeordnet ist, wobei das Zugmittel um das antreibende erste Rad und das mindestens eine weitere zweite angetriebene Rad geführt ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung zur Umgehung des im Ansaugsystem (2) angeordneten Abgasturboladers (8) der mindestens einen Ladeluftkühlung (6) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung stromaufwärts des LLK-Verdichters (8b) vom Ansaugsystem (2) abzweigt und stromabwärts der LLK-Turbine (8a) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abgasturbolader (4) vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete ATL-Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten ATL-Verdichter (4b) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abgasturbolader (4) vorgesehen sind, wobei jeder Abgasturbolader (4) eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete ATL-Turbine (4a) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten ATL-Verdichter (4b) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ATL-Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) eine Bypassleitung aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ATL-Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Leitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem (3) abzweigt und in das Ansaugsystem (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts der ATL-Turbine des mindestens einen Abgasturboladers (4) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts des ATL-Verdichters (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts der ATL-Turbine (4a) des mindestens einen Abgasturboladers (4) aus dem Abgasabführsystem (3) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Abgasrückführung stromaufwärts des ATL-Verdichters (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) in das Ansaugsystem (2) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts des ATL-Verdichters (4b) des mindestens einen Abgasturboladers (4) in das Ansaugsystem (2) mündet.