DE102015211229A1

DE102015211229A1 - Abgasturboaufgeladene Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung und Zusatzverdichter und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015211229A1
Application number: DE102015211229.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Claudia Conée; Michael Forsting; Tim Franken; Claudia Herudek; Werner Willems
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit min. einem Zylinderkopf umfassend min. drei Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) min. eine Einlassöffnung aufweist, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) min. eine Auslassöffnung aufweist, – min. ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist, – min. drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese min. zwei Gruppen mit jeweils min. einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der min. eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der min. eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – die Abgasleitungen der min. drei Zylinder (1, 2, 3, 4) mit der Turbine (7a) des min. einen Abgasturboladers (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch antreibbarer Verdichter (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist, wobei – dieser elektrisch antreibbare Verdichter (8) mit dem Verdichter (7b) des min. einen Abgasturboladers (7) in Reihe schaltbar ist, und – zum Zwecke der Umgehung dieses elektrisch antreibbaren Verdichters (8) eine Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens drei Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– die Abgasleitungen der mindestens drei Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers verbunden ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, 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 mittels Abgasturbolaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine. Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine 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 Auslegung der Abgasturboaufladung bereitet häufig Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Regelmäßig wird aber ein Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. 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 Ladedrucks dadurch entgegengewirkt werden, dass ein kleiner Abgasturbolader, d. h. ein Abgasturbolader mit einem kleinen Turbinenquerschnitt eingesetzt wird, um auch bei kleinen Abgasströmen einen ausreichend hohen Ladedruck generieren zu können. Letztendlich wird der Drehmomentabfall damit nur zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Zudem sind dieser Vorgehensweise, d. h. der Verkleinerung des Turbinenquerschnitts, Grenzen gesetzt, da die gewünschte Aufladung und Leistungssteigerung auch bei hohen Drehzahlen uneingeschränkt und in dem gewünschten Maße möglich sein soll. Eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts in Kombination mit einer Abgasabblasung ist nicht über den gesamten Drehzahlbereich zielführend und zufriedenstellend.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer in Reihe und/oder parallel angeordneter Abgasturbolader; gegebenenfalls in Kombination mit einem oder mehreren mechanischen Ladern und/oder elektrischen Hilfsantrieben.
Aufgeladene Brennkraftmaschinen werden vorzugsweise mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit der die komprimierte Verbrennungsluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Dadurch erhöht sich die Dichte der zugeführten Ladeluft weiter. Die Kühlung trägt auf diese Weise ebenfalls zu einer Verdichtung und besseren Füllung der Brennräume, d. h. zu einem verbesserten Füllungsgrad, bei. Es kann vorteilhaft sein, den Ladeluftkühler mit einer Bypassleitung auszustatten, um den Ladeluftkühler im Bedarfsfall, beispielsweise nach einem Kaltstart, umgehen zu können.
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 reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist es ein grundsätzliches Ziel, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, wobei ein verbesserter Gesamtwirkungsgrad im Vordergrund der Bemühungen steht. In diesem Zusammenhang gewinnt die Aufladung von Brennkraftmaschinen zunehmend an Bedeutung.
Problematisch sind der Kraftstoffverbrauch und damit der Wirkungsgrad insbesondere bei Ottomotoren, d. h. bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des Ottomotors. Die Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugsystem vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist, d. h. je mehr diese das Ansaugsystem versperrt, desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft stromabwärts der Drosselklappe und vor dem Einlass in die mindestens drei Zylinder, d. h. Brennräume. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse, d. h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich die Quantitätsregelung gerade im Teillastbetrieb als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugsystem, wodurch die Ladungswechselverluste mit abnehmender Last und zunehmender Drosselung steigen.
Um die beschriebenen Verluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Entdrosselung einer fremdgezündeten Brennkraftmachine entwickelt.
Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des Ottomotors ist beispielsweise ein ottomotorisches Arbeitsverfahren mit Direkteinspritzung. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffes ist ein geeignetes Mittel zur Realisierung einer geschichteten Brennraumladung. Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum ermöglicht damit in gewissen Grenzen eine Qualitätsregelung beim Ottomotor. Die Gemischbildung erfolgt durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffes in die Zylinder bzw. in die in den Zylindern befindliche Luft und nicht durch äußere Gemischbildung, bei der der Kraftstoff im Ansaugsystem in die angesaugte Luft eingebracht wird.
Eine andere Möglichkeit, den Verbrennungsprozess eines Ottomotors zu optimieren, besteht in der Verwendung eines zumindest teilweise variablen Ventiltriebs. Im Gegensatz zu konventionellen Ventiltrieben, bei denen sowohl der Hub der Ventile als auch die Steuerzeiten nicht veränderlich sind, können diese den Verbrennungsprozess und damit den Kraftstoffverbrauch beeinflussenden Parameter mittels variabler Ventiltriebe mehr oder weniger stark variiert werden. Eine drosselfreie und damit verlustfreie Laststeuerung ist bereits möglich, wenn die Schließzeit des Einlassventils und der Einlassventilhub variiert werden können. Die während des Ansaugvorganges in den Brennraum einströmende Gemischmasse wird dann nicht mittels Drosselklappe, sondern über den Einlassventilhub und die Öffnungsdauer des Einlassventils gesteuert.
Grundsätzlich ist es die Aufgabe eines Ventiltriebs die zugehörige Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung des Zylinders rechtzeitig freizugeben bzw. zu verschließen, wobei eine schnelle Freigabe eines möglichst großen Strömungsquerschnittes angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasströmungen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Abführen der Abgase zu gewährleisten. Daher wird ein Zylinder auch häufig mit mehreren Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen ausgestattet. Der für die Bewegung eines Ventils erforderliche Ventilbetätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Der mindestens eine Zylinderkopf dient in der Regel zur Aufnahme dieses Ventiltriebs.
Ein weiterer Lösungsansatz zur Entdrosselung eines Ottomotors bietet die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen. Der Wirkungsgrad des Ottomotors im Teillastbetrieb kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass die Drosselklappe zum Einbringen einer größeren Luftmasse in diese Zylinder weiter geöffnet werden kann bzw. muss, wodurch insgesamt eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine erreicht wird. Die ständig in Betrieb befindlichen Zylinder arbeiten während der Teilabschaltung zudem im Bereich höherer Lasten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Die während der Teilabschaltung weiter betriebenen Zylinder weisen zudem aufgrund der größeren zugeführten Luftmasse bzw. Gemischmasse eine verbesserte Gemischbildung auf.
Weitere Wirkungsgradvorteile ergeben sich dadurch, dass ein abgeschalteter Zylinder aufgrund der fehlenden Verbrennung keine Wandwärmeverluste infolge eines Wärmeüberganges von den Verbrennungsgasen an die Brennraumwände generiert.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine mit Teilabschaltung.
Obwohl Dieselmotoren, d. h. selbstzündende Brennkraftmaschinen, aufgrund der angewandten Qualitätsregelung einen höheren Wirkungsgrad, d. h. einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch, aufweisen als Ottomotoren, bei denen die Last – wie vorstehend beschrieben – mittels Drosselung bzw. Quantitätsregelung über die Füllung der Zylinder eingestellt wird, besteht auch bei Dieselmotoren Verbesserungspotential und Verbesserungsbedarf hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bzw. Wirkungsgrades.
Ein Konzept zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs ist auch bei Dieselmotoren die Zylinderabschaltung, d. h. die Abschaltung einzelner Zylinder in bestimmten Lastbereichen.
Der Wirkungsgrad des Dieselmotors im Teillastbetreib kann durch eine Teilabschaltung verbessert, d. h. erhöht werden, denn die Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht bei konstanter Motorleistung auch beim Dieselmotor die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, so dass diese Zylinder in Bereichen höherer Lasten arbeiten, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Das Lastkollektiv im Teillastbetrieb des Dieselmotors wird zu höheren Lasten hin verschoben.
Hinsichtlich der Wandwärmeverluste ergeben sich dieselben Vorteile wie beim Ottomotor, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Die Teilabschaltung bei Dieselmotoren soll auch verhindern, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Rahmen der Qualitätsregelung bei abnehmender Last durch Verringerung der eingesetzten Kraftstoffmenge zu stark abmagert.
Die im Stand der Technik beschriebenen Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit Teilabschaltung und die dazugehörigen Verfahren zum Betreiben dieser Brennkraftmaschinen weisen dennoch deutliches Verbesserungspotential auf.
Wird zum Zwecke der Teilabschaltung die Kraftstoffzufuhr zu den abschaltbaren Zylindern unterbunden, d. h. eingestellt, nehmen die abgeschalteten Zylinder weiter am Ladungswechsel teil, falls der dazugehörige Ventiltrieb dieser Zylinder nicht deaktiviert wird bzw. nicht deaktiviert werden kann. Die dabei generierten Ladungswechselverluste mindern die durch die Teilabschaltung erzielten Verbesserungen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und Wirkungsgrades und stehen diesen entgegen, so dass der Nutzen der Teilabschaltung zumindest teilweise verloren geht, d. h. die Teilabschaltung in der Summe tatsächlich eine weniger deutliche Verbesserung mit sich bringt.
Um den vorstehend beschriebenen nachteiligen Effekten abzuhelfen, kann es zielführend sein, einlassseitig und auslassseitig schaltbare bzw. verstellbare Ventiltriebe vorzusehen, mit denen die abgeschalteten Zylinder während der Teilabschaltung geschlossen gehalten werden und somit nicht weiter am Ladungswechsel teilnehmen. Dadurch wird auch verhindert, dass die durch die abgeschalteten Zylinder geführte kühlere Ladeluft die Enthalpie des der Turbine zur Verfügung gestellten Abgasstromes mindert und die abgeschalteten Zylinder schnell auskühlen.
Schaltbare Ventiltriebe können aber bei mittels Abgasturbolaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschinen wie der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, zu weiteren Problemen führen, da die Turbine eines Abgasturboladers auf eine bestimmte Abgasmenge und damit regelmäßig auch auf eine bestimmte Anzahl an Zylindern ausgelegt ist. Wird der Ventiltrieb eines abgeschalteten Zylinders deaktiviert, verringert sich zunächst der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine. Der durch die Turbine geführte Abgasmassenstrom nimmt ab und mit diesem in der Regel auch das Turbinendruckverhältnis. Eine abnehmende Turbinenleistung hat zur Folge, dass das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, d. h. der Ladedruck sinkt.
Tatsächlich muss der Ladedruck aber gesteigert, d. h. erhöht werden, um den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zu zuführen, denn bei Abschaltung mindestens eines Zylinders einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erhöht sich die Belastung der übrigen noch in Betrieb befindlichen Zylinder, weshalb diesen Zylindern mehr Ladeluft und mehr Kraftstoff zu zuführen ist. Die am Verdichter zur Verfügung stehende Antriebsleistung zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks hängt ab von der Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, und der Abgasmasse bzw. dem Abgasstrom.
Bei Ottomotoren lässt sich der Ladedruck in dem für die Teilabschaltung relevanten Lastbereich in einfacher Weise durch Öffnen der Drosselklappe erhöhen. Diese Möglichkeit entfällt beim Dieselmotor. Der geringe Ladeluftstrom kann dazu führen, dass der Verdichter jenseits der Pumpgrenze arbeitet.
Die vorstehend beschriebenen Effekte führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Teilabschaltung, nämlich zu einer Einschränkung des Drehzahlbereichs und des Lastbereiches, in welchem die Teilabschaltung eingesetzt werden kann. Bei kleinen Ladeluftmengen kann der Ladedruck aufgrund einer nicht ausreichenden Verdichterleistung bzw. Turbinenleistung nicht bedarfsgerecht gesteigert werden.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung erhöht werden, wodurch auch der für eine Teilabschaltung relevante Lastbereich wieder erweitert werden würde. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten unzureichend ist, wenn sämtliche Zylinder betrieben werden.
Der Ladedruck bei Teilabschaltung und damit die den noch in Betrieb befindlichen Zylindern zugeführte Ladeluftmenge könnte auch dadurch erhöht werden, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet wird, die eine Anpassung des wirksamen Turbinenquerschnittes an den momentanen Abgasstrom gestattet. Dann würde sich aber gleichzeitig der Abgasgegendruck im Abgasabführsystem stromaufwärts der Turbine erhöhen, was wiederum zu höheren Ladungswechselverlusten bei den noch in Betrieb befindlichen Zylindern führt.
Aus den vorstehend genannten Gründen werden Brennkraftmaschinen der in Rede stehenden Art gemäß dem Stand der Technik häufig auch mit mehreren parallel angeordneten Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt ausgestattet, wobei mit steigender Last nicht nur Zylinder, sondern mit den Zylindern auch Turbinen – ähnlich einer Registeraufladung – sukzessive zugeschaltet werden. Die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen teilabschaltbaren Brennkraftmaschine kann dadurch verbessert werden, wobei der Einsatz mehrerer Lader bzw. Turbinen immer mit dem Nachteil einer erhöhten Reibleistung behaftet ist und mehrere Turbolader einen schlechteren Gesamtwirkungsgrad aufweisen als ein einzelner Abgasturbolader. Zudem erhöhen sich bei Einsatz mehrerer Abgasturbolader die Kosten und der Raumbedarf der Aufladung erheblich.
Bei der Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, führen die Abgasleitungen der Zylinder unter Ausbildung eines einzelnen Abgaskrümmers zu einer einzelnen Gesamtabgasleitung zusammen, welche mit der Turbine eines Abgasturboladers verbunden ist. Die Zusammenführung von Abgasleitungen zu einer Gesamtabgasleitung wird im Allgemeinen und im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Abgaskrümmer bezeichnet.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Drehmomentcharakteristik und der Teilabschaltung weiter optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens drei Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt,
– jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt,
– mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der Abgasturbolader eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst,
– mindestens drei Zylinder in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder bilden, wobei der mindestens eine Zylinder einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine in Betrieb befindlicher Zylinder ist und der mindestens eine Zylinder einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder ausgebildet ist, und
– die Abgasleitungen der mindestens drei Zylinder unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen, welche mit der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers verbunden ist,

– dieser elektrisch antreibbare Verdichter mit dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers in Reihe schaltbar ist, und
– zum Zwecke der Umgehung dieses elektrisch antreibbaren Verdichters eine Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet.

Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einem zusätzlichen Verdichter ausgestattet, der vorliegend ein elektrisch antreibbarer Verdichter ist, so dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Der elektrisch antreibbare Verdichter zeichnet sich folglich durch einen geringen Raumbedarf aus. Dies ermöglicht ein dichtes Packaging der Aufladung und damit der Brennkraftmaschine.
Ein weiterer Vorteil des elektrisch antreibbaren Verdichters besteht darin, dass der elektrisch antreibbare Verdichter den angeforderten Ladedruck – im Gegensatz zum Abgasturbolader – unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei geringen Abgasmengen bzw. niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle.
Der elektrisch antreibbare Verdichter ist erfindungsgemäß als zuschaltbarer Verdichter konzipiert, der im Bedarfsfall, nämlich beim Übergang zur Teilabschaltung, zwecks Unterstützung des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers zugeschaltet wird, um zur Verdichtung der Ladeluft beizutragen bzw. bei der Generierung des erforderlichen Ladedrucks mitzuwirken.
Wie bereits erörtert, muss bei einer Teilabschaltung der Brennkraftmaschine der Ladedruck gesteigert werden, um den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern, deren Belastung sich im Betriebsmodus der Teilabschaltung erhöht, mehr Ladeluft zuführen zu können.
Die am Verdichter des Abgasturboladers zur Verfügung stehende Antriebsleistung zur Generierung des Ladedrucks hängt ab von der Abgasenthalpie der heißen Abgase und dem Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine, weshalb die Verdichterleistung beim Übergang zur Teilabschaltung nicht ohne weiteres bedarfsgerecht erhöht werden kann. Der elektrisch antreibbare Verdichter schließt diese Lücke, die aus der zu geringen Turbinenleistung bzw. Verdichterleistung des Abgasturboladers resultiert.
Beim Übergang zur Teilabschaltung wird die Ladeluft unter Verwendung des elektrisch antreibbaren Verdichters und des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers zweistufig verdichtet, wodurch der Ladedruck erhöht werden kann. Dadurch kann und wird den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern mehr Ladeluft zugeführt. Der Gesamtmassenstrom durch die Zylinder der Brennkraftmaschine wird gesteigert und damit auch der Abgasstrom durch die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers. Die Turbinenleistung und damit die zur Verfügung stehende Verdichterleistung des Abgasturboladers nehmen zu. Der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist nach einer Übergangsphase auch ohne Unterstützung fähig, den angeforderten Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts der Verdichter zu generieren.
Der elektrisch antreibbare Verdichter wird abgeschaltet, sobald die teilabgeschaltete Brennkraftmaschine stabil läuft, d. h. der vorstehend beschriebene Bedarfsfall nicht mehr besteht.
Der elektrisch antreibbare Verdichter kann auch im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, um die Drehmomentcharakteristik bei niedrigen Drehzahlen bzw. geringen Abgasmengen zu verbessern.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich ihrer Drehmomentcharakteristik und der Teilabschaltung weiter optimiert ist. Damit wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mindestens drei Zylinder bzw. mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder. Insofern sind Brennkraftmaschinen mit drei Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils einem Zylinder konfiguriert sind, oder Brennkraftmaschinen mit sechs Zylindern, die in drei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern konfiguriert sind, ebenfalls erfindungsgemäße Brennkraftmaschinen. Die drei Zylindergruppen können im Rahmen einer Teilabschaltung sukzessive zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden, wodurch auch ein zweimaliges Schalten realisiert werden kann. Die Teilabschaltung wird dadurch weiter optimiert. Die Zylindergruppen können auch eine unterschiedliche Anzahl an Zylindern umfassen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden in Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung mit einem Absperrelement ausgestattet ist.
Dieses Absperrelement gestattet durch Öffnen die Umgehung und damit die Deaktivierung des elektrisch antreibbaren Verdichters, falls eine einstufige Verdichtung bzw. Aufladung unter Verwendung des Abgasturboladers realisiert werden soll. Mit diesem Absperrelement lässt sich aber auch die dem elektrisch antreibbaren Verdichter zugeführte Ladeluftmenge steuern, d. h. einstellen. Von Relevanz ist dies insbesondere in der Phase des Betriebs der Brennkraftmaschine, in der der elektrisch antreibbare Verdichter wieder abgeschaltet wird bzw. werden soll.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Die Ladeluftkühlung senkt die Temperatur und erhöht die Dichte der komprimierten Ladeluft und trägt damit zu einer weiteren Verdichtung und besseren Füllung der in Betrieb befindlichen Zylinder bei. Eine Bypassleitung zur Umgehung des Ladeluftkühlers kann vorteilhaft sein, beispielsweise nach einem Kaltstart.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Ansaugsystem abzweigt. Dann dient die Bypassleitung ausschließlich der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem ersten Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann dient die Bypassleitung der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters und des weiteren Ladeluftkühlers.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem ersten Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann dient die Bypassleitung der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters, aber nicht mehr der Umgehung des weiteren Ladeluftkühlers.
Gemäß den beiden letztgenannten Ausführungsformen ist zwischen den Verdichtern, d. h. zwischen dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem elektrisch antreibbaren Verdichter, ein weiterer Ladeluftkühler angeordnet, der im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Temperatur der vorkomprimierten Ladeluft zwischen den Verdichtern senkt und damit die Dichte der Ladeluft vor Eintritt in den stromabwärts gelegenen elektrisch antreibbaren Verdichter steigert. Dadurch wird die Verdichtung in dem elektrisch antreibbaren Verdichter verbessert und die Austrittstemperatur aus diesem Verdichter bei gleichem Gesamtdruckverhältnis der Aufladegruppe abgesenkt. Es lässt sich aber auch das Gesamtdruckverhältnis der Verdichtergruppe und damit der Ladedruck steigern. In jedem Fall trägt der weitere Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der in Betrieb befindlichen Zylinder bei.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist.
Ist der elektrisch antreibbare Verdichter nicht stromabwärts, sondern stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers angeordnet, dient dieser Verdichter im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung als Niederdruckstufe und nicht als Hochdruckstufe.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet. Dann dient die Bypassleitung ausschließlich der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter und dem zweiten Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann dient die Bypassleitung der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters und des weiteren Ladeluftkühlers.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und dem zweiten Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann dient die Bypassleitung der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters, aber nicht mehr der Umgehung des weiteren Ladeluftkühlers.
Es gilt das bereits im Zusammenhang mit dem weiteren Ladeluftkühler Gesagte in analoger Weise, weshalb auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine feste Turbinengeometrie aufweist. Eine feste Turbinengeometrie ist kostengünstig. Für eine befriedigende Drehmomentcharakteristik kann es sinnvoll sein, die Turbine als Waste-Gate-Turbine auszuführen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Dabei sind stromaufwärts des 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 zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Verfügt eine Turbine hingegen über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich, d. h. starr fixiert, soweit überhaupt Leitschaufeln vorgesehen sind bzw. eine Leiteinrichtung vorgesehen ist.
Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie, auch bei sehr geringen Abgasmengen hohe Ladedrücke zu erzielen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers 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 stromaufwärts der Turbine abgezweigt und 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 der elektrisch antreibbare Verdichter kleiner ausgelegt ist als der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers. Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter stromabwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist und im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung als Hochdruckstufe dient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen nur ein Abgasturbolader vorgesehen ist. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine erfolgt dann regelmäßig eine einstufige Aufladung bzw. Verdichtung. Hinsichtlich der Reibleistung und des Gesamtwirkungsgrades ist es vorteilhafter, einen einzelnen Abgasturbolader anstelle mehrerer Turbolader zu verwenden, weshalb die vorstehende Ausführungsform Vorteile im Wirkungsgrad aufweist.
Bei Brennkraftmaschinen mit vier in Reihe angeordneten Zylindern sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die zwei außenliegenden Zylinder und die zwei innenliegenden Zylinder jeweils eine Gruppe bilden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem einmündet.
Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen, ist ein geeignetes Mittel die Stickoxidemissionen zu reduzieren, wobei 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 und gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte Frischluft bezeichnet. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der Abgasrückführung ein Absperrelement zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge angeordnet ist.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit mindestens einem Abgasturbolader und Abgasrückführung sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung der Abgasrückführung stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromabwärts des Verdichters bzw. der Verdichter in das Ansaugsystem einmündet. Bei dieser sogenannten Hochdruck-AGR wird das Abgas stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingespeist, weshalb das Abgas vor der Rückführung keiner Abgasnachbehandlung unterzogen, insbesondere keinem Partikelfilter zugeführt werden muss, da eine Verschmutzung des Verdichters bzw. der Verdichter nicht zu befürchten ist.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Hochdruck-AGR kann sich aber ein Konflikt ergeben, denn das rückgeführte Abgas steht nicht mehr zum Antrieb der Turbine zur Verfügung. Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis bzw. der Ladedruck ebenfalls abnimmt.
Eine Lösung hierfür bietet die sogenannte Niederdruck-AGR. Im Gegensatz zur Hochdruck-AGR wird bei der Niederdruck-AGR Abgas in das Ansaugsystem eingeleitet, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu verfügt die Niederdruck-AGR über eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters bzw. der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft können daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Niederdruck-AGR anstelle einer Hochdruck-AGR bzw. zusätzlich zu einer Hochdruck-AGR vorgesehen ist.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit nur einem Abgasturbolader, bei dem der elektrisch antreibbare Verdichter im Rahmen eines Übergangs zu einem Betriebsmodus der Teilabschaltung, gemäß dem der mindestens eine schaltbare Zylinder der zweiten Gruppe abgeschaltet ist, zur Unterstützung des Verdichters des Abgasturboladers zugeschaltet wird, um einen ausreichend hohen vorgebbaren Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts der Verdichter zu generieren.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der elektrisch antreibbare Verdichter abgeschaltet wird, sobald der Betriebsmodus der Teilabschaltung der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine stabil ist, in der Art, dass der Verdichter des Abgasturboladers ohne Unterstützung einen ausreichend hohen vorgebbaren Ladedruck im Ansaugsystem stromabwärts der Verdichter bereitzustellen fähig ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer aufgeladenen Brennkraftmaschine und gemäß 1 näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 10, die mit einem Abgasturbolader 7 ausgestattet ist, der eine im Abgasabführsystem 6 angeordnete Turbine 7a und einen im Ansaugsystem 5 angeordneten Verdichter 7b umfasst. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 7a unter Energieabgabe. Der Verdichter 7b komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem 5 und Ladeluftkühler 11 den Zylindern 1, 2, 3, 4 zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 10 erreicht wird.
Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 10, bei dem die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet sind. Die vier Zylinder 1, 2, 3, 4 sind konfiguriert und bilden zwei Gruppen mit jeweils zwei Zylindern 1, 2, 3, 4, wobei die beiden innenliegenden Zylinder 2, 3 eine zweite Gruppe bilden, deren Zylinder 2, 3 als lastabhängig schaltbare Zylinder 2, 3 ausgebildet sind, die im Rahmen einer Teilabschaltung abgeschaltet werden, und die beiden außenliegenden Zylinder 1, 4 eine erste Gruppe bilden, deren Zylinder 1, 4 auch bei Teilabschaltung in Betrieb sind.
Die Abgasleitungen der Zylinder 1, 2, 3, 4 führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers 6a zu einer Gesamtabgasleitung 6b zusammen. Die Gesamtabgasleitung 6b führt zu der Turbine 7a des Abgasturboladers 7
Ein elektrisch antreibbarer Verdichter 8 ist zusätzlich im Ansaugsystem 5 angeordnet, der sich mit dem Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 in Reihe schalten lässt. Der elektrisch antreibbare Verdichter 8 ist als zuschaltbarer Verdichter 8 konzipiert, der im Bedarfsfall, nämlich beim Übergang zur Teilabschaltung, zwecks Unterstützung des Verdichters 7b des Abgasturboladers 7 zugeschaltet werden kann, um den weiter in Betrieb befindlichen Zylindern 1, 4 ausreichend Ladeluft zuführen zu können.
Vorliegend ist der elektrisch antreibbare Verdichter 8 stromabwärts des Verdichters 7b des Abgasturboladers 7 im Ansaugsystem 5 angeordnet, wobei zum Zwecke der Umgehung des elektrisch antreibbaren Verdichters 8 eine Bypassleitung 9 vorgesehen ist, die zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter 8 und dem Verdichter 7b des Abgasturboladers 7 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 9a vom Ansaugsystem 5 abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters 8 unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 9b in das Ansaugsystem 5 einmündet.
Bezugszeichenliste

1: erster Zylinder, außenliegender Zylinder
2: zweiter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
3: dritter Zylinder, innenliegender Zylinder, schaltbarer Zylinder
4: vierter Zylinder, außenliegender Zylinder
5: Ansaugsystem
6: Abgasabführsystem
6a: Abgaskrümmer
6b: Gesamtabgasleitung
7: Abgasturbolader
7a: Turbine des Abgasturboladers
7b: Verdichter des Abgasturboladers
8: elektrisch antreibbarer Verdichter
9: Bypassleitung
9a: erster Knotenpunkt
9b: zweiter Knotenpunkt
9c: Absperrelement
10: Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
11: Ladeluftkühler

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4), bei der – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Einlassöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (5) anschließt, – jeder Zylinder (1, 2, 3, 4) mindestens eine Auslassöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (6) anschließt, – mindestens ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist, der Abgasturbolader (7) eine im Abgasabführsystem (6) angeordnete Turbine (7a) und einen im Ansaugsystem (5) angeordneten Verdichter (7b) umfasst, – mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) in der Art konfiguriert sind, dass diese mindestens zwei Gruppen mit jeweils mindestens einem Zylinder (1, 2, 3, 4) bilden, wobei der mindestens eine Zylinder (1, 4) einer ersten Gruppe ein auch bei Teilabschaltung der Brennkraftmaschine (10) in Betrieb befindlicher Zylinder (1, 4) ist und der mindestens eine Zylinder (2, 3) einer zweiten Gruppe als lastabhängig schaltbarer Zylinder (2, 3) ausgebildet ist, und – die Abgasleitungen der mindestens drei Zylinder (1, 2, 3, 4) unter Ausbildung eines Abgaskrümmers (6a) zu einer Gesamtabgasleitung (6b) zusammenführen, welche mit der Turbine (7a) des mindestens einen Abgasturboladers (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch antreibbarer Verdichter (8) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist, wobei – dieser elektrisch antreibbare Verdichter (8) mit dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) in Reihe schaltbar ist, und – zum Zwecke der Umgehung dieses elektrisch antreibbaren Verdichters (8) eine Bypassleitung (9) vorgesehen ist, die stromaufwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt und stromabwärts des elektrisch antreibbaren Verdichters (8) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) mit einem Absperrelement (9c) ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Verdichter (7b, 8) ein Ladeluftkühler (11) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) stromabwärts des Verdichters (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (8) und dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (9a) vom Ansaugsystem (5) abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (8) und dem ersten Knotenpunkt (9a) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) und dem ersten Knotenpunkt (9a) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) stromaufwärts des Verdichters (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (9) zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (8) und dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (9b) in das Ansaugsystem (5) einmündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem elektrisch antreibbaren Verdichter (8) und dem zweiten Knotenpunkt (9b) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Ladeluftkühler vorgesehen ist, der zwischen dem Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) und dem zweiten Knotenpunkt (9b) im Ansaugsystem (5) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (7a) des mindestens einen Abgasturboladers (7) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7) eine variable Verdichtergeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) kleiner ausgelegt ist als der Verdichter (7b) des mindestens einen Abgasturboladers (7).
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche mit vier in Reihe angeordneten Zylindern (1, 2, 3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die zwei außenliegenden Zylinder (1, 4) und die zwei innenliegenden Zylinder (2, 3) jeweils eine Gruppe bilden.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der nur ein Abgasturbolader (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) im Rahmen eines Übergangs zu einem Betriebsmodus der Teilabschaltung, gemäß dem der mindestens eine schaltbare Zylinder (2, 3) der zweiten Gruppe abgeschaltet ist, zur Unterstützung des Verdichters (7b) des Abgasturboladers (7) zugeschaltet wird, um einen ausreichend hohen vorgebbaren Ladedruck im Ansaugsystem (5) stromabwärts der Verdichter (7b, 8) zu generieren.
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch antreibbare Verdichter (8) abgeschaltet wird, sobald der Betriebsmodus der Teilabschaltung der teilabgeschalteten Brennkraftmaschine (10) stabil ist, in der Art, dass der Verdichter (7b) des Abgasturboladers (7) ohne Unterstützung einen ausreichend hohen vorgebbaren Ladedruck im Ansaugsystem (5) stromabwärts der Verdichter (7b, 8) bereitzustellen fähig ist.