DE102016116863A1

DE102016116863A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102016116863A1
Application number: DE102016116863.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Thewes
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2017-08-03
Also published as: DE102017120186A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), der Verbrennungsmotor (1) aufweisend zumindest eine in einer Luftzuführung (2) des Verbrennungsmotors (1) angeordnete Verdichtervorrichtung (10) zum Verdichten von Ladeluft (30), zumindest eine in der Luftzuführung (2) nach der Verdichtervorrichtung (10) angeordnete Kühlvorrichtung (3) und eine nach der Kühlvorrichtung (3) angeordnete Drosselklappe (4), wobei vor der Verdichtervorrichtung (10) und nach der Drosselklappe (4) eine Verbindungsleitung (20) mit der Luftzuführung (2) jeweils fluidkommunizierend verbunden ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor.
Bei modernen Verbrennungsmotoren ist es grundsätzlich bekannt, in einer Luftzuführung eines Verbrennungsmotors eine Verdichtervorrichtung zur Steigerung einer maximal möglichen Leistung und/oder eines erreichbaren Drehmoments des Verbrennungsmotors einzusetzen. Durch eine derartige Verdichtervorrichtung ist es möglich, eine Ladeluft für den Verbrennungsmotor zu verdichten. Insbesondere im Vergleich zu nicht extern aufgeladenen Verbrennungsmotoren kann so ein Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors dadurch verbessert werden, dass der Hubraum des Motors verringert werden und der Motor bei höheren Lasten und damit besserem mechanischen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Durch die Verdichtung erhitzt sich dabei die Ladeluft. Daher kann bei derartigen Verbrennungsmotoren in der Luftzuführung eine Kühlungsvorrichtung vorgesehen sein. Bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren, die mehrere nacheinander angeordnete Verdichter- und Kühlvorrichtungen aufweisen, kann zur Ermöglichung eines kompakten Aufbaus eine Bypassleitung vorgesehen sein, siehe beispielsweise die JP2007138798A . Durch diese Bypassleitung kann Ladeluft vor einer Verdichtervorrichtung aus der Luftzuführung entnommen und nach der Kühlvorrichtung wieder in die Luftzuführung eingeleitet werden.
Durch die externe Aufladung kann eine große Spreizung zwischen einer Drehzahl des Verbrennungsmotors, ab der ein zumindest im Wesentlichen konstantes Drehmoment bereitgestellt werden kann, und der Drehzahl des Verbrennungsmotors, bei der eine maximale Leistung zur Verfügung steht, erreicht werden. Diese Spreizung wird dabei insbesondere durch eine Pumpgrenze in einem Verdichterkennfeld der Verdichtervorrichtung begrenzt. Die Pumpgrenze beschreibt dabei einen Zusammenhang zwischen einem Druck der Ladeluft und einem Durchsatz an Ladeluft, ab dem ein stabiler Betrieb der Verdichtervorrichtung nicht mehr möglich ist, wobei bei gleichbleibendem Druck eine Verringerung der Luftmenge und bei gleichbleibender Luftmenge eine Erhöhung des Drucks zu einer Überschreitung der Pumpgrenze führt. Insbesondere bei einer plötzlichen Verminderung einer Lastanforderung an den Verbrennungsmotor kann dies zu Problemen führen, da eine durchgesetzte Luftmenge dann deutlich verringert und gleichzeitig der Druck nach der Verdichtervorrichtung noch hoch ist. Andererseits soll der Druck auch auf dem hohen Niveau gehalten werden, um bei einer späteren erneuten hohen Lastanforderung sofort eine Ladeluft mit hohem Druck bereitstellen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, die auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise eine Bereitstellung eines hohen Drucks einer Ladeluft bei gleichzeitig niedrigem Durchsatz an Ladeluft verbessern, wobei insbesondere eine Beschädigung der verwendeten Bauteile vermieden oder zumindest verringert wird.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der Verbrennungsmotor aufweisend zumindest eine in einer Luftzuführung des Verbrennungsmotors angeordnete Verdichtervorrichtung zum Verdichten von Ladeluft, zumindest eine in der Luftzuführung nach der Verdichtervorrichtung angeordnete Kühlvorrichtung zum Kühlen der verdichteten Ladeluft und eine nach der Kühlvorrichtung angeordnete Drosselklappe, wobei vor der Verdichtervorrichtung und nach der Drosselklappe eine Verbindungsleitung mit der Luftzuführung jeweils fluidkommunizierend verbunden ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Entnahme von gekühlter verdichteter Ladeluft aus der Luftzuführung nach der Drosselklappe in die Verbindungsleitung, und
b) Einspeisung der entnommenen Ladeluft aus der Verbindungsleitung in die Luftzuführung vor der Verdichtervorrichtung.

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird ein aufgeladener Verbrennungsmotor betrieben. Dabei bedeutet aufgeladen im Sinne der Erfindung insbesondere, dass in einer Luftzuführung des Verbrennungsmotors eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten einer Ladeluft des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Durch diese externe Verdichtung kann eine maximal erreichbare Leistung und ein maximal bereitstellbares Drehmoment des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Ferner weist ein Verbrennungsmotor, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren betrieben werden kann, eine nach der Verdichtervorrichtung in der Luftzuführung angeordnete Kühlvorrichtung auf. Dadurch kann es ermöglicht werden, die durch die Erhöhung des Drucks während der Verdichtung aufgeheizte Ladeluft wieder abzukühlen. Insbesondere weist ferner ein derartiger Verbrennungsmotor eine Verbindungsleitung auf, die mit der Luftzuführung nach der Drosselklappe und vor der Verdichtervorrichtung jeweils fluidkommunizierend verbunden ist. Ein Leiten von Ladeluft durch die Verbindungsleitung zwischen den Verbindungsstellen mit der Luftzuführung kann dadurch ermöglicht werden. Dadurch, dass die Drosselklappe nach der Kühlvorrichtung angeordnet ist, kann die Drosselklappe vor hohen Temperaturen geschützt werden. In einem ersten Schritt a) wird aus der Luftzuführung verdichtete Ladeluft in die Verbindungsleitung entnommen. Da die Verbindungsleitung mit der Luftzuführung nach der Drosselklappe fluidkommunizierend verbunden ist, handelt es sich dabei um gekühlte verdichtete Ladeluft, also eine Ladeluft, die zwar auf der einen Seite einen im Vergleich zur Ladeluft vor der Verdichtervorrichtung erhöhten Druck aufweist, die aber auf der anderen Seite gleichzeitig eine niedrigere Temperatur hat, als die Ladeluft direkt nach der Verdichtervorrichtung. Diese der Luftzuführung entnommene, verdichtete und gekühlte Ladeluft wird durch die Verbindungsleitung geleitet und in einem Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens wieder in die Luftzuführung eingespeist. Diese Einspeisung erfolgt vor der Verdichtervorrichtung. Dadurch kann insbesondere ermöglicht werden, auch bei einem aktuell geringen Bedarf des Verbrennungsmotors an Ladeluft in der Verdichtervorrichtung eine hohe Fördermenge an Ladeluft bei gleichzeitig hohem Ladedruck aufrechtzuerhalten. Die Menge an Ladeluft, die durch die Verdichtervorrichtung zu viel gefördert wird, staut sich nicht nach der Verdichtervorrichtung, sondern kann durch die Verbindungsleitung wieder zurück vor die Verdichtervorrichtung abgeleitet werden. Auf diese Weise kann eine Ladeluft mit hohem Druck sofort wieder bereitgestellt werden, sobald eine erneute und erhöhte Lastanforderung an den Verbrennungsmotor erfolgt. Durch die Entnahme und Einspeisung einer gekühlten verdichteten Ladeluft kann auch eine Gefahr einer Beschädigung oder gar einer Zerstörung der Verdichtervorrichtung, die bei einer Zurückführung von heißer, ungekühlter Ladeluft, auftreten können, vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden. Auch kann alternativ oder zusätzlich eine kontinuierliche Rückführung eines gekühlten Teilmassenstroms der Ladeluft durch die Verbindungsleitung vorgenommen werden. Dies kann insbesondere auch bei einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors, einhergehend beispielsweise mit einer geöffneten Drosselklappe, vorgenommen werden. Ein Luftmassenstrom durch den Verdichter kann auf diese Weise insgesamt vergrößert werden, wodurch der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld weiter von der Pumpgrenze entfernt wird. Hierdurch kann das Erreichen des maximalen Drehmomentes des Verbrennungsmotors zu niedrigeren Motordrehzahlen verschoben werden. Alternativ kann die Verdichtervorrichtung größer dimensioniert werden, wodurch wiederum eine höhere Motorleistung erreicht werden kann. Ein Antrieb der Verdichtervorrichtung muss hierfür ausreichend dimensioniert werden, damit die durch den höheren Luftmassenstrom nötige steigende Antriebsleistung des Verdichters bereitgestellt werden kann. So kann beispielsweise eine Turbine eines Abgasturboladers ausreichend klein ausgebildet sein oder alternativ ein mit dem Abgasturbolader verbundener E-Motor die nötige zusätzliche Antriebsleistung zur Verfügung stellen. Insgesamt kann auch durch diese Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ein Betrieb eines Verbrennungsmotors verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass die Schritte a) und b) gleichzeitig oder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die gekühlte verdichtete Ladeluft besonders einfach und effektiv durch die Verbindungsleitung von der Stelle der Entnahme aus der Luftzuführung bis zur Stelle der Einspeisung zurück in die Luftzuführung strömen kann. Eine Behinderung dieser Strömung kann durch die gleichzeitige Ausführung der Verfahrensschritte a) und b) vermieden oder zumindest deutlich verringert werden. Eine Stauung und insbesondere eine damit verbundene mögliche Beeinflussung eines Drucks und/oder einer Fördermenge der Ladeluft kann dadurch verhindert werden.
Auch kann ferner bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Entnahme in Schritt a) und/oder die Einspeisung in Schritt b) durch zumindest ein Ventilelement kontrolliert wird. Das Ventilelement kann dabei ein automatisches und/oder ein angesteuertes, insbesondere geregelt angesteuertes, Ventilelement sein. Auf diese Weise kann besonders einfach ermöglicht werden, ein Strömen der gekühlten verdichteten Ladeluft in der Verbindungsleitung zu kontrollieren, insbesondere gesteuert und/oder geregelt zu ermöglichen beziehungsweise zu verhindern. Eine besonders gute Kontrolle bei einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und damit ein besonders kontrollierbares Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch bereitgestellt werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann bevorzugt ferner dahingehend ausgestaltet sein, dass die Einspeisung in Schritt b) derart erfolgt, dass dadurch ein Antreiben der Verdichtervorrichtung unterstützt wird. Dabei kann beispielsweise die gekühlte verdichtete Ladeluft aus der Verbindungsleitung direkt auf und/oder in ein Verdichterrad der Verdichtervorrichtung gelenkt und/oder geleitet werden, so dass ein antreibendes Drehmoment auf das Verdichterrad übertragen wird. Dadurch kann eine Antriebsvorrichtung der Verdichtervorrichtung unterstützt werden. So kann beispielsweise insgesamt eine höhere Antriebsleistung für die Verdichtervorrichtung bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Antriebsvorrichtung verkleinert werden, ohne dass eine für die Verdichtervorrichtung insgesamt verfügbare Antriebsleistung verkleinert wird.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass die Schritte a) und/oder b) in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Verbrennungsmotors durchgeführt werden. Dadurch kann ermöglicht werden, eine Entnahme der gekühlten verdichteten Ladeluft aus der Luftzuführung und/oder eine Einspeisung der gekühlten verdichteten Ladeluft zurück in die Luftzuführung in Abhängigkeit insbesondere eines aktuell vorherrschenden Betriebszustands des Verbrennungsmotors vorzunehmen. Eine besonders bedarfsgerechte und insbesondere bedarfsangepasste Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und damit ein besonders bedarfsgerechtes und insbesondere bedarfsangepasstes Betreiben eines Verbrennungsmotors gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch bereitgestellt werden. Insbesondere eine bedarfsangepasste Versorgung des Verbrennungsmotors mit verdichteter Ladeluft kann dadurch weiter verbessert werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass der Betriebszustand zumindest durch eine Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder durch eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor parametrisiert wird. Eine Drehzahl und/oder eine Lastanforderung stellen dabei besonders aussagekräftige Parameter dar, um einen Betriebszustand eines Verbrennungsmotors zu beschreiben. Besonders bevorzugt werden dabei sowohl eine Drehzahl als auch eine Lastanforderung verwendet, um den Betriebszustand des Verbrennungsmotors zu parametrisieren beziehungsweise zu beschreiben. So kann insbesondere beispielsweise bei einer niedrigen Drehzahl und einer gleichzeitig hohen Lastanforderung ein niedriger Massestrom bei gleichzeitig hohem Druck der Ladeluft erforderlich sein. Diesen Anforderungen kann durch eine Ausführung der Schritte a) und b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach entsprochen werden, da durch die Entnahme von gekühlter verdichteter Ladeluft aus der Luftzuführung trotz der Anforderung eines niedrigen Massestroms durch den Verbrennungsmotor eine hohe Luftmenge durch die Verdichtervorrichtung strömen kann. Dadurch kann eine hohe Verdichtung der Ladeluft durch die Verdichtervorrichtung ermöglicht werden, ohne der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds der Verdichtervorrichtung nahe zu kommen.
Auch kann ein erfindungsgemäßes Verfahren dahingehend ausgebildet sein, dass vor Schritt a) und/oder b) eine Drosselklappe in der Luftzuführung zumindest teilweise geschlossen wird. Ein derartiges Schließen einer Drosselklappe signalisiert dabei zumeist, dass aktuell keine oder nur eine sehr geringe Lastanforderung an den Verbrennungsmotor vorherrscht. Um bei einer erneuten Öffnung der Drosselklappe bei der nächsten Lastanforderung an den Verbrennungsmotor sofort eine Ladeluft mit einem hohen Druck bereitstellen zu können, ist es vorteilhaft, die Verdichtervorrichtung ständig zu betreiben. Durch die Entnahme der gekühlten verdichteten Ladeluft nach der Kühlvorrichtung aus der Luftzuführung in die Verbindungsleitung in Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens und die Einleitung dieser Ladeluft aus der Verbindungsleitung zurück in die Luftzuführung vor der Verdichtervorrichtung kann dies besonders einfach bereitgestellt werden, insbesondere ohne dass eine Gefahr besteht, dass durch die Verringerung des geförderten Massenstroms an Ladeluft beim Betrieb der Verdichtervorrichtung eine Pumpgrenze überschritten wird. Insbesondere kann somit eine unterbrechungsfreie oder zumindest im Wesentlichen unterbrechungsfreie Bereitstellung einer verdichteten Ladeluft durch die Verdichtervorrichtung ermöglicht werden, auch wenn eine Drosselklappe geschlossen ist bzw. wird und/oder eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor verringert wird oder sogar minimal ist.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Verbrennungsmotor, aufweisend zumindest eine in einer Luftzuführung des Verbrennungsmotors angeordnete Verdichtervorrichtung zum Verdichten von Ladeluft, zumindest eine in der Luftzuführung nach der Verdichtervorrichtung angeordnete Kühlvorrichtung zum Kühlen der verdichteten Ladeluft und eine nach der Kühlvorrichtung angeordnete Drosselklappe, wobei vor der Verdichtervorrichtung und nach der Drosselklappe eine Verbindungsleitung mit der Luftzuführung jeweils fluidkommunizierend verbunden ist. Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung zum Leiten von gekühlter verdichteter Ladeluft von nach der Kühlvorrichtung nach vor der Verdichtervorrichtung ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist somit ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor eine Verbindungsleitung auf, in die gekühlte verdichtete Ladeluft nach der Kühlvorrichtung aus der Luftzuführung entnehmbar ist und aus der diese ferner vor der Verdichtervorrichtung wieder in die Luftzuführung einspeisbar ist. Die gekühlte verdichtete Ladeluft strömt dabei in einer Richtung durch die Verbindungsleitung, die einer Strömungsrichtung der Ladeluft in der Luftzuführung entgegengesetzt ist. Dabei ist die Verbindungsleitung derart ausgebildet, um dies bereitstellen zu können und insbesondere um ein Strömen der Ladeluft durch die Verbindungsleitung in der gleichen Richtung wie in der Luftzuführung, wie es bei einer Bypassleitung der Fall wäre, zu verhindern. So kann durch entsprechende Ventilanordnungen, insbesondere beispielsweise durch Rückschlagventile, eine Strömungsrichtung der gekühlten verdichteten Ladeluft in der Verbindungsleitung entgegengesetzt zur Ladeluft in der Luftzuführung sichergestellt werden. Bevorzugt kann dabei auch vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung betreibbar ausgebildet ist. Dementsprechend bringt ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert worden sind. So kann auch bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor durch die Verwendung der Verbindungsleitung eine Ladeluft mit hohem Druck sofort bereitgestellt werden, sobald eine erneute und erhöhte Lastanforderung an den Verbrennungsmotor erfolgt. Eine Gefahr einer Beschädigung oder gar einer Zerstörung der Verdichtervorrichtung, die bei einer Zurückführung von heißer, ungekühlter Ladeluft, auftreten können, kann durch den Einsatz der Verbindungsleitung vermieden oder zumindest deutlich vermindert werden. Auch kann alternativ oder zusätzlich eine kontinuierliche Rückführung eines gekühlten Teilmassenstroms der Ladeluft durch die Verbindungsleitung vorgenommen und die oben dazu beschriebenen Vorteile ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor dahingehend ausgebildet sein, dass die Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft in der Verbindungsleitung ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine nochmals verbesserte Kühlung der verdichteten Ladeluft, die aus der Verbindungsleitung vor der Verdichtervorrichtung in die Luftzuführung eingespeist wird, bereitgestellt werden. Dabei kann die Kühlvorrichtung beispielsweise zumindest teilweise in ein Gehäuse der Verdichtervorrichtung integriert sein. Eine besonders kompakte Ausgestaltung der Verdichtervorrichtung und der Kühlvorrichtung kann dadurch ermöglicht werden. Auch eine zusätzliche Kühlung der Ladeluft in der Luftzuführung vor der Verdichtervorrichtung durch die Kühlvorrichtung ist denkbar. Eine Kühlvorrichtung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors kann dabei auch mehrteilig ausgebildet sein, so dass die jeweiligen Teile der Kühlvorrichtung auf eine Kühlung von Ladeluft in den einzelnen angeführten Abschnitten der Luftzuführung optimiert ausgebildet werden kann. Eine insgesamt verbesserte Kühlung der verdichteten Ladeluft kann dadurch bereitgestellt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor kann ferner vorgesehen sein, dass die Verdichtervorrichtung einen Abgasturbolader und/oder einen elektrisch angetriebenen Verdichter und/oder einen mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors mechanisch gekoppelten Verdichter und/oder einen Abgasturbolader mit Elektromotor umfasst. Insbesondere kann eine Verdichtervorrichtung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors in einer Vielzahl von Ausgestaltungsvarianten ausgebildet sein. Eine besonders gute Anpassung der eingesetzten Verdichtervorrichtung, beispielsweise bezüglich des restlichen Aufbaus des Verbrennungsmotors oder eines geplanten Einsatzzwecks und/oder -orts des Verbrennungsmotors, kann dadurch ermöglicht werden. Dabei können beispielsweise auch verschiedene Varianten kombiniert sein, zum Beispiel ein zusätzlich elektrisch angetriebener Verdichter kombiniert mit einem Abgasturbolader. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Verdichterleistung ermöglicht werden.
Auch kann ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor dahingehend weitergebildet sein, dass eine Turbine des Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist. Durch eine derartige variable Turbinengeometrie kann ermöglicht werden, eine Antriebsleistung der Turbine des Abgasturboladers bei ansonsten gleichen Bedingungen gezielt zu verändern. Eine besonders angepasste Antriebsleistung und dadurch auch eine besonders angepasste Verdichterleistung der Verdichtervorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden. So wird beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor im Leerlauf, bei dem nur ein geringer Massestrom an Abgas erzeugt wird, durch eine Turbine ohne variable Turbinengeometrie auch nur eine verminderte Antriebsleistung bereitgestellt. Durch eine variable Turbinengeometrie kann jedoch die Turbinengeometrie derart verändert werden, dass auch bei diesen Bedingungen eine hohe Antriebsleistung der Abgasturbine des Abgasturboladers bereitgestellt wird. Eine hohe Verdichterleistung kann in diesem Beispiel somit auch bei einem Leerlauf des Verbrennungsmotors erzeugt werden, wodurch eine verdichtete Ladeluft auch bei einer erneuten Lastanforderung nach einem Leerlauf des Verbrennungsmotors sofort zur Verfügung gestellt werden kann.
Besonders bevorzugt kann ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor dahingehend weiterentwickelt werden, dass vor und nach der Verdichtervorrichtung, insbesondere jeweils direkt vor und nach der Verdichtervorrichtung, eine Schubumkehrleitung mit der Luftzuführung jeweils fluidkommunizierend verbunden ist, wobei durch die Schubumkehrleitung der Luftzuführung nach der Verdichtervorrichtung ungekühlte verdichtete Ladeluft entnehmbar und in die Luftzuführung vor der Verdichtervorrichtung einspeisbar ist. Nach der Verdichtervorrichtung und insbesondere direkt nach der Verdichtervorrichtung im Sinne der Erfindung bedeutet dabei, dass die Schubumkehrleitung noch vor der Drosselklappe mit der Luftzuführung zur Entnahme der ungekühlten verdichteten Ladeluft fluidkommunizierend verbunden ist. Eine Stauung der verdichteten Ladeluft nach der Verdichtervorrichtung bei einer Schließung der Drosselklappe, die eine Überschreitung der Pumpgrenze zur Folge haben könnte, kann auf diese Weise durch Entnahme der ungekühlten verdichteten Ladeluft in die Schubumkehrleitung und deren Einleitung aus der Schubumkehrleitung vor der Verdichtervorrichtung zurück in die Luftzuführung sicher vermieden werden. Dabei kann, insbesondere bei zumindest teilweise geöffneter Drosselklappe, auch über die Verbindungsleitung gekühlte verdichtete Ladeluft nach der Kühlvorrichtung aus der Luftzuführung entnommen und vor der Verdichtervorrichtung zurück in die Luftzuführung eingespeist werden. Auf diese Weise kann, insbesondere durch eine Einstellung einer Menge der durch die Schubumkehrleitung bzw. die Verbindungsleitung transportierten Ladeluft, beispielsweise auch eine Einstellung einer Temperatur, insbesondere eine geregelte Einstellung der Temperatur, der Ladeluft vor der Verdichtervorrichtung ermöglicht werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion oder Wirkungsweise sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen schematisch:
1 eine erste Ausgestaltungsform eines Verbrennungsmotors, und
2 eine zweite Ausgestaltungsform eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung.
Die 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Verbrennungsmotors 1, der sich in einem Betriebszustand 6 befindet. Die beiden Verbrennungsmotoren 1 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben, wobei auf Unterschiede der beiden Ausgestaltungsformen gesondert eingegangen wird. Beide Verbrennungsmotoren 1 weisen eine Luftzuführung 2 auf, die zum Versorgen der Zylinder 8 des jeweiligen Verbrennungsmotors 1 mit Ladeluft 30 vorgesehen ist. In den gezeigten Ausgestaltungsformen weisen die Verbrennungsmotoren 1 jeweils drei Zylinder 8 auf, wobei auch mehr oder weniger Zylinder 8 vorgesehen sein können. Die Ladeluft 30 wird über ein Saugrohr 7 auf die Zylinder 8 verteilt und nach einer Verbrennungsreaktion in den Zylindern 8 als Abgas über eine Luftabführung 9 wieder abgeleitet. Die Verbrennungsmotoren 1 weisen ferner eine Verdichtervorrichtung 10 auf, die als ein Abgasturbolader 12 ausgebildet ist. Dabei können in anderen Ausgestaltungsformen von Verbrennungsmotoren 1 auch abweichende Verdichtervorrichtungen 10 vorgesehen sein, beispielsweise elektrisch betriebene oder mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 1 mechanisch wirkverbundene Verdichtervorrichtungen 10 oder darüber hinaus auch Kombinationen der verschiedenen Möglichkeiten einer Verdichtervorrichtung 10. In der Luftabführung 9 ist eine Turbine 13 des Abgasturboladers 12 angeordnet. Diese Turbine 13 weist in den abgebildeten Ausgestaltungsformen insbesondere eine variable Turbinengeometrie 14 auf, wodurch eine besonders bedarfsgerechte und/oder -angepasste Bereitstellung einer Antriebsleistung für den Abgasturbolader 12 ermöglicht werden kann. Die Turbine 13 ist ferner mit einem Verdichter 11 mechanisch wirkverbunden. Eine Kühlvorrichtung 3 ist jeweils nach der Verdichtervorrichtung 10 in der Luftzuführung 2 angeordnet, um die durch die in der Verdichtervorrichtung 10 erfolgte Druckerhöhung aufgeheizte Ladeluft 30 wieder abzukühlen. Zur Steuerung einer Menge an Ladeluft 30, beispielsweise abhängig von einer Lastanforderung an den Verbrennungsmotor 1, ist in der Luftzuführung 2 jeweils eine Drosselklappe 4 vorgesehen. Bei dem in 1 gezeigten Verbrennungsmotor 1 die Kühlvorrichtung 3 vor der Drosselklappe 4 in der Luftzuführung 2 Selbiges gilt für den in 2 gezeigten Verbrennungsmotor 1.
In 1 ist eine erste Ausgestaltungsform eines Verbrennungsmotors 1 abgebildet. Der abgebildete Verbrennungsmotor 1 weist eine Verbindungsleitung 20 auf, wobei die Verbindungsleitung 20 jeweils vor der Verdichtervorrichtung 10 und nach der Kühlvorrichtung 3 fluidkommunizierend mit der Luftzuführung 2 verbunden ist. Dadurch kann gemäß einem Schritt a) eine Entnahme einer gekühlten verdichteten Ladeluft 30 aus der Luftzuführung 2 in die Verbindungsleitung 20 und entsprechend einem Schritt b) eine Einspeisung der gekühlten verdichteten Ladeluft 30 aus der Verbindungsleitung 20 vor der Verdichtervorrichtung 10 zurück in die Luftzuführung 2 ermöglicht werden. Insbesondere können diese Schritte a) und b) gleichzeitig oder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, um beispielsweise eine Stauung der in der Verbindungsleitung 20 strömenden gekühlten verdichteten Ladeluft 30 zu verhindern. Durch ein Ventilelement 21 kann dabei das Entnehmen, das Leiten bzw. das Einspeisen der gekühlten verdichteten Ladeluft 30 kontrolliert, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden. Auf diese Weise ist es durch das Ableiten der gekühlten verdichteten Ladeluft 30 von einem Entnahmeort nach der Kühlvorrichtung 3 zu einem Einspeiseort vor der Verdichtervorrichtung 10 möglich, auch in Betriebszuständen 6 des Verbrennungsmotors 1, die beispielsweise einen hohen Druck der Ladeluft 30 bei gleichzeitig niedrigem Massestrom an Ladeluft 30 erfordern, einen unvorteilhaften, insbesondere pumpenden, Betrieb der Verdichtervorrichtung 10 zu vermeiden. Insbesondere ist durch die entsprechende Anordnung der Bauteile in der gezeigten Ausgestaltungsform eine Entnahme der gekühlten verdichteten Ladeluft 30 in die Verbindungsleitung 20 nach der Kühlvorrichtung 3 und gleichzeitig vor der Drosselklappe 4 möglich.
2 zeigt eine Ausgestaltungsform eines Verbrennungsmotors 1 gemäß der Erfindung, wobei der abgebildete Verbrennungsmotor 1 auch zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Dabei weist der gezeigte erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 1 ebenfalls die in Bezug auf 1 bereits beschriebene Verbindungsleitung 20 und auch das darin angeordnete Ventilelement 21 auf. Die Verbindungsleitung 20 ist dabei analog zu der in 1 beschriebenen Ausgestaltungsform ebenfalls nach der Kühlvorrichtung 3 und vor der Verdichtervorrichtung 10 mit der Luftzuführung 2 fluidkommunizierend verbunden. Dadurch ist auch hier in einem Schritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Entnahme gekühlter verdichteter Ladeluft 30 in die Verbindungsleitung 20 und anschließend in einem Schritt b) eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Einspeisung dieser Ladeluft 30 vor der Verdichtervorrichtung 10 in die Luftzuführung 2 möglich. Im Gegensatz zu der in 1 abgebildeten Ausgestaltungsform ist hier jedoch die Verbindungsleitung 20 nach der Drosselklappe 4 mit der Luftzuführung 2 verbunden. Insbesondere bei beispielsweise zumindest teilweise geschlossener oder sich schließender Drosselklappe 4 kann somit eine Stauung von verdichteter Ladeluft 30 nach der Verdichtervorrichtung 10 auftreten. Eine derartige Stauung könnte zu einem nachteiligen Pumpen der Verdichtervorrichtung 10 führen, das zu einer Beeinträchtigung bis schlimmstenfalls zu einer Beschädigung der Verdichtervorrichtung 10 führen könnte. Um eine Stauung verdichteter Ladeluft 30 nach der Verdichtervorrichtung 10 sicher verhindern zu können, weist daher die abgebildete Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 zusätzlich zur Verbindungsleitung 20 noch eine Schubumkehrleitung 5 auf, die nach der Verdichtervorrichtung 10 und insbesondere vor der Kühlvorrichtung 3 und der Drosselklappe 4 mit der Luftzuführung 2 fluidkommunizierend verbunden ist. In diese Schubumkehrleitung 5 kann, gesteuert beispielsweise über ein Ventil 40, ungekühlte verdichtete Ladeluft 30 wieder vor der Verdichtervorrichtung 10 in die Luftzuführung 2 eingespeist werden. Die Verbindungsleitung 20 und die Schubumkehrleitung 5 können dabei unabhängig voneinander zum Leiten von verdichteter Ladeluft 30 eingesetzt werden. Insbesondere bei einer gleichzeitigen Verwendung kann dabei, beispielsweise durch eine Regelung der jeweils in die Luftzuführung 2 vor der Verdichtervorrichtung 10 eingespeisten Ladeluft 30, eine Temperatur der Ladeluft 30 eingestellt, bevorzugt geregelt eingestellt, werden. Die Schubumkehrleitung 5 bietet Vorteile, ist aber nicht zwingend notwendig. In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform weist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor keine Schubumkehrleitung auf.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Luftzuführung
3: Kühlvorrichtung
4: Drosselklappe
5: Schubumkehrleitung
6: Betriebszustand
7: Saugrohr
8: Zylinder
9: Luftabführung
10: Verdichtervorrichtung
11: Verdichter
12: Abgasturbolader
13: Turbine
14: Turbinengeometrie
20: Verbindungsleitung
21: Ventilelement
30: Ladeluft
40: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007138798 A [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (1), der Verbrennungsmotor (1) aufweisend zumindest eine in einer Luftzuführung (2) des Verbrennungsmotors (1) angeordnete Verdichtervorrichtung (10) zum Verdichten von Ladeluft (30), zumindest eine in der Luftzuführung (2) nach der Verdichtervorrichtung (10) angeordnete Kühlvorrichtung (3) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft (30), und eine Drosselklappe (4), wobei die Drosselklappe (4) nach der Kühlvorrichtung (3) angeordnet ist, wobei vor der Verdichtervorrichtung (10) und nach der Drosselklappe (4) eine Verbindungsleitung (20) mit der Luftzuführung (2) jeweils fluidkommunizierend verbunden ist, aufweisend folgende Schritte: a) Entnahme von gekühlter verdichteter Ladeluft (30) aus der Luftzuführung (2) nach der Drosselklappe (4) in die Verbindungsleitung (20), und b) Einspeisung der entnommenen Ladeluft (30) aus der Verbindungsleitung (20) in die Luftzuführung (2) vor der Verdichtervorrichtung (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) gleichzeitig oder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme in Schritt a) und/oder die Einspeisung in Schritt b) durch zumindest ein Ventilelement (21) kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung in Schritt b) derart erfolgt, dass dadurch ein Antreiben der Verdichtervorrichtung (10) unterstützt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und/oder b) in Abhängigkeit eines Betriebszustandes (6) des Verbrennungsmotors (1) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand (6) zumindest durch eine Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) und/oder durch eine Lastanforderung an den Verbrennungsmotor (1) parametrisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) und/oder b) eine Drosselklappe (4) in der Luftzuführung (2) zumindest teilweise geschlossen wird.
Verbrennungsmotor (1), aufweisend zumindest eine in einer Luftzuführung (2) des Verbrennungsmotors (1) angeordnete Verdichtervorrichtung (10) zum Verdichten von Ladeluft (30), zumindest eine in der Luftzuführung (2) nach der Verdichtervorrichtung (10) angeordnete Kühlvorrichtung (3) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft (30) und zumindest eine nach der Kühlvorrichtung (3) angeordnete Drosselklappe (4), wobei vor der Verdichtervorrichtung (10) und nach der Drosselklappe (4) eine Verbindungsleitung (20) mit der Luftzuführung (2) jeweils fluidkommunizierend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (20) zum Leiten von gekühlter verdichteter Ladeluft (30) von nach der Drosselklappe (4) nach vor der Verdichtervorrichtung (10) ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) durch ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche betreibbar ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (3) zum Kühlen von Ladeluft (30) in der Verbindungsleitung (20) ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtervorrichtung (10) einen Abgasturbolader (12) und/oder einen elektrisch angetriebenen Verdichter (11) und/oder einen mit einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors (1) mechanisch gekoppelten Verdichter (11) und/oder einen Abgasturbolader (12) mit Elektromotor umfasst.
Verbrennungsmotor (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (13) des Abgasturboladers (12) eine variable Turbinengeometrie (14) aufweist.
Verbrennungsmotor (1) nach einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass vor und nach der Verdichtervorrichtung (10), insbesondere jeweils direkt vor und nach der Verdichtervorrichtung (10), eine Schubumkehrleitung (5) mit der Luftzuführung (2) jeweils fluidkommunizierend verbunden ist, wobei durch die Schubumkehrleitung (5) der Luftzuführung (2) nach der Verdichtervorrichtung (10) ungekühlte verdichtete Ladeluft (30) entnehmbar und in die Luftzuführung (2) vor der Verdichtervorrichtung (10) einspeisbar ist.