DE102016207344A1

DE102016207344A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit parallel angeordneten Verdichtern und Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102016207344A1
Application number: DE102016207344.3A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Hanno Friederichs; Frank Kraemer; Franz J. Brinkmann; Harald Stoffels
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinder (2), einem Ansaugsystem (3), einem Abgasabführsystem (4), – mindestens zwei im Ansaugsystem (3) parallel angeordneten Verdichtern (6a, 7a), von denen ein erster Verdichter (6a) als dauerhaft betriebener Verdichter (6a) und ein zweiter Verdichter (7a) als zuschaltbarer Verdichter (7a) ausgebildet ist, – mindestens zwei im Abgasabführsystem (4) parallel angeordneten Turbinen (6b, 7b), von denen eine erste Turbine (6b) als dauerhaft betreibbare Turbine (6b) und eine zweite Turbine (7b) als zuschaltbare Turbine (7b) ausgebildet ist, und – mindestens einer Abgasrückführung (10), die eine Rückführleitung (11) umfasst, bei der eine Turbine (8b) und ein Verdichter (8a) gemeinsam einen Abgasturbolader (8) bilden. Es soll eine Brennkraftmaschine (1) bereitgestellt werden, die ein verbessertes instationäres Betriebsverhalten aufweist. Erreicht wird dies durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass – eine Turbine (9b) mit einem Generator (9b´) zumindest antriebsverbindbar ist, der Leistung von der Turbine (9b) aufnimmt, und – ein Verdichter (9a) mit einer Elektromaschine (9a´) als Antrieb zumindest antriebsverbindbar ist, der zur Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks Leistung an diesen elektrisch angetriebenen Verdichter (9a) abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einem Zylinder,
– einem Ansaugsystem zur Versorgung des mindestens einen Zylinders mit Ladeluft,
– einem Abgasabführsystem zur Abführung der Abgase,
– mindestens zwei im Ansaugsystem parallel angeordneten Verdichtern, die jeweils in einer separaten Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordnet sind, wobei die separaten Ansaugleitungen stromabwärts der Verdichter zu einer Gesamtansaugleitung zusammenführen und ein erster Verdichter als dauerhaft betriebener Verdichter und ein zweiter Verdichter als zuschaltbarer Verdichter ausgebildet ist,
– mindestens zwei im Abgasabführsystem parallel angeordneten Turbinen, die jeweils in einer separaten Abgasleitung des Abgasabführsystems angeordnet sind, wobei die separaten Abgasleitungen stromabwärts der Turbinen zu einer Gesamtabgasleitung zusammenführen und eine erste Turbine als dauerhaft betreibbare Turbine und eine zweite Turbine als zuschaltbare Turbine ausgebildet ist, und
– mindestens einer Abgasrückführung, die eine Rückführleitung umfasst,

– eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und ein im Ansaugsystem angeordneter Verdichter gemeinsam einen Abgasturbolader bilden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine insbesondere Dieselmotoren, aber auch Ottomotoren und 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.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse 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 reduziert, lässt sich bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Die Aufladung einer Brennkraftmaschine unterstützt folglich die Bemühungen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Durch eine geeignete Getriebeauslegung kann zusätzlich ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, wodurch ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt wird. Beim Downspeeding wird der Umstand ausgenutzt, dass der spezifische Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen regelmäßig niedriger ist, insbesondere bei höheren Lasten.
Regelmäßig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom 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 des mindestens einen Zylinders 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 gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem – mittels Hilfsantrieb antreibbaren – Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt,
während ein Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d. h. mindert.
Falls es sich nicht um einen mittels Elektromaschine, d. h. elektrisch antreibbaren Lader handelt, ist regelmäßig eine mechanische bzw. kinematische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend 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 Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen bzw. größeren Abgasmengen unzureichend ist.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 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 Motorkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird.
Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Abgasturboaufladung weiter fortgeführt. Nachteilig an einer mehrstufigen Aufladung mittels Abgasturboladern ist aber, dass man nicht die Turbinen aller Abgasturbolader motornah platzieren kann, auch wenn dies grundsätzlich angestrebt wird, um die Abgasenthalpie der heißen Abgase optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten der jeweiligen Turbine und damit des zugehörigen Turboladers zu erreichen.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen mit kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden.
Ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Ladeluftströmen ist auch bei parallel angeordneten Turboladern möglich, so dass bei kleinen Ladeluftmengen ausreichend hohe Ladedrücke bereitgestellt werden können, um auf diese Weise eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine bei niedrigen Drehzahlen zu gewährleisten.
Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einem einzelnen Abgasturbolader, da die kleineren Turbinen weniger träge sind und sich das Laufzeug einer kleiner dimensionierten Turbine und eines kleiner dimensionierten Verdichters schneller beschleunigen lässt.
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens zwei parallel im Abgasabführsystem angeordnete Turbinen und über mindestens zwei parallel im Ansaugsystem angeordnete Verdichter. Eine derartige Brennkraftmaschine beschreibt beispielsweise die europäische Patentanmeldung EP 1 640 595 A1 .
Die Aufladung unterstützt – wie vorstehend dargelegt – das ständige Bemühen bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten 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 (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, 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_Luft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Luft die zugeführte Luft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erzielen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Abgasrückführung kann sich ein Konflikt ergeben, wenn das rückgeführte Abgas mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom gleichzeitig ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzlich Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze einstellen. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Aus diesem Grunde sind Konzepte erforderlich, die – insbesondere im Teillastbereich – ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen können. Einen Lösungsansatz bietet die sogenannte Niederdruck-AGR.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und – vorzugsweise – stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft vorzugsweise stromabwärts des Verdichters in einem Ladeluftkühler gekühlt wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, beispielsweise 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.
Probleme können sich aber infolge der Kühlung der komprimierten Ladeluft bzw. des rückgeführten Abgases ergeben. Im Rahmen der Kühlung können zuvor noch gasförmig in der Ladeluft bzw. dem Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren. Kondensat kann stoßweise in den Zylinder bzw. in die Verdichter gelangen und den Betrieb der Brennkraftmaschine stören bzw. den Verdichter beschädigen.
Die vorstehend beschriebene Niederdruck-AGR kann mit einer Hochdruck-AGR kombiniert werden.
Schwierigkeiten bereitet es bei der Abgasrückführung auch, insbesondere bei einer Niederdruck-AGR, das für die Realisierung hoher Rückführraten erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem bereitzustellen, weshalb regelmäßig zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Nach dem Stand der Technik wird daher ein Absperrelement im Abgasabführsystem vorgesehen, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement im Ansaugsystem vorgesehen, um einlassseitig den Druck zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch eher nachteilig. Insbesondere eine einlassseitige Drosselung der Ladeluft muss mit Blick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als nachteilig angesehen werden.
Auch die aufgeladene Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens eine Abgasrückführung. Nach dem Stand der Technik weisen derartige Brennkraftmaschinen immer noch deutliches Verbesserungspotential auf. Insbesondere das instationäre Betriebsverhalten ist verbesserungsbedürftig.
Dabei ist es von besonderem Interesse, einen angeforderten Ladedruck und eine vorgegebene Rückführrate möglichst verzögerungsfrei realisieren und bereitstellen zu können. Eine Anforderung, die aufgrund des trägen Ansprechens einer Aufladung und einer Abgasrückführung schwierig zu realisieren ist und durch das gegebenenfalls erforderliche Zuschalten bzw. Abschalten eines Verdichters bzw. einer Turbine noch erschwert wird.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, mit der gleichzeitig hohe Abgasrückführraten und hohe Ladedrücke in sämtlichen Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine realisiert werden können und die insbesondere aufgrund einer deutlich verbesserten Aufladung und Abgasrückführung ein spürbar verbessertes instationäres Betriebsverhalten aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und ein im Ansaugsystem angeordneter Verdichter gemeinsam einen Abgasturbolader bilden,

– eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine mit einer Elektromaschine zumindest antriebsverbindbar ist, wobei die Elektromaschine als Generator betreibbar ist, der Leistung von der Turbine aufnimmt, weshalb diese Turbine als Generatorturbine zu bezeichnen ist, und
– ein im Ansaugsystem angeordneter Verdichter mit einer Elektromaschine zumindest antriebsverbindbar ist, wobei die Elektromaschine als Antrieb dient, der zur Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks Leistung an den Verdichter abgibt, der somit als elektrisch angetriebener Verdichter ausgebildet ist.

Im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine nach dem Stand der Technik, die – wie beispielsweise in der EP 1 640 595 A1 beschrieben – über eine Abgasrückführung und zwei Abgasturbolader verfügt, deren zwei Turbinen parallel im Abgasabführsystem und deren zwei Verdichter parallel im Ansaugsystem angeordnet sind, umfasst das Aufladekonzept der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader, wobei anstelle eines weiteren Abgasturboladers ein mittels Elektromaschine elektrisch antreibbarer Verdichter im Ansaugsystem und eine mit einem Generator verbindbare bzw. verbundene Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist. Die Turbine wird daher im Weiteren auch als Generatorturbine bezeichnet.
Gegenüber einem Abgasturbolader hat die Kombination aus elektrisch angetriebenem Verdichter und Generatorturbine den wesentlichen Vorteil, dass der Betrieb des Verdichters vom Betrieb der Turbine unabhängig, d. h. losgelöst ist, und umgekehrt.
Während der elektrisch angetriebene Verdichter, der parallel zum Verdichter des Abgasturboladers im Ansaugsystem angeordnet ist, zur Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks elektrisch angetrieben wird und dabei die Antriebsleistung von der Elektromaschine erhält bzw. aufnimmt, kann die Generatorturbine, die parallel zur Turbine des Abgasturboladers im Abgasabführsystem angeordnet ist, hinsichtlich einer anderen Zielsetzung betrieben werden, da die Generatorturbine erfindungsgemäß nicht zeitgleich und vollständig die Antriebsleistung für den elektrisch angetriebenen Verdichter bereitstellen muss. Es ergeben sich zahlreiche Vorteile.
So kann der elektrisch angetriebene Verdichter eine Ladedruckanforderung vollständig und unmittelbar, d. h. nahezu verzögerungsfrei, befriedigen, nämlich unabhängig davon, ob die Abgasmenge bzw. Abgasenthalpie ausreicht oder nicht, damit die erforderliche Antriebsleistung von der zugehörigen Turbine zur Verfügung gestellt werden kann.
Der elektrisch angetriebene Verdichter kann der erste dauerhaft betriebene Verdichter sein, aber auch der zweite zuschaltbare Verdichter, der bei niedrigen und mittleren Lasten bzw. Drehzahlen abgeschaltet wird. Ist der elektrisch angetriebene Verdichter der zweite zuschaltbare Verdichter, kann der erste Verdichter als Verdichter des Abgasturboladers auf niedrige und mittlere Lasten bzw. Drehzahlen ausgelegt und entsprechend dimensioniert werden, wodurch eine befriedigende Drehmomentcharakteristik der Brennkraftmaschine auch bei kleinen Ladeluftmengen bzw. Abgasmengen gewährleistet werden kann.
Die Generatorturbine wiederum kann zwecks Energierückgewinnung wirkungsgradoptimiert betrieben werden. Der Abgasstrom zur Generatorturbine kann aber auch gedrosselt bzw. unterbunden werden, beispielsweise um den Abgasgegendruck stromaufwärts zu erhöhen und das für die Abgasrückführung mittels Hochdruck-AGR erforderliche Druckgefälle zu erzeugen oder um die zweite zuschaltbare Turbine mitsamt zugehörigem Verdichter vor dem Zuschalten zu beschleunigen, d. h. auf Drehzahl zu bringen, falls die Generatorturbine die erste dauerhaft betreibbare Turbine ist. Daher wird die erste Turbine im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch nicht als dauerhaft betriebene Turbine, sondern als dauerhaft betreibbare Turbine bezeichnet.
Es ergeben sich weitere vorteilhafte Effekte in Abhängigkeit von der konkreten Ausbildung der Brennkraftmaschine, die im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die insbesondere aufgrund einer deutlich verbesserten Aufladung und Abgasrückführung ein spürbar verbessertes instationäres Betriebsverhalten aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Brennkraftmaschine zwecks Aufladung mit mindestens zwei im Ansaugsystem parallel angeordneten Verdichtern ausgestattet und mit mindestens zwei im Abgasabführsystem parallel angeordneten Turbinen, wobei eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und ein im Ansaugsystem angeordneter Verdichter gemeinsam einen Abgasturbolader ausbilden.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann folglich einen einzigen, aber auch mehrere Abgasturbolader umfassen. Durch den Einsatz mehrerer Abgasturbolader kann die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine gegebenenfalls weiter verbessert werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter der elektrisch angetriebene Verdichter und der zweite Verdichter der Verdichter des Abgasturboladers ist. Dann wird im Betrieb der Brennkraftmaschine der elektrisch angetriebene Verdichter zwecks Aufladung dauerhaft betrieben, während der Verdichter des Abgasturboladers nur im Bedarfsfall bei hohen Drehzahlen bzw. hohen Lasten, d. h. bei großen bereitzustellenden Ladeluftmengen, zugeschaltet wird. Die Verdichter können entsprechend ausgelegt werden.
Vorteilhaft sind – insbesondere im Zusammenhang mit der vorstehenden Variante – Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine die Generatorturbine und die zweite Turbine die Turbine des Abgasturboladers ist.
Die Generatorturbine kann während des Betriebs der Brennkraftmaschine grundsätzlich zur Energierückgewinnung verwendet werden, wobei dem Abgas mittels der Turbine Energie entzogen wird. Insofern lässt sich die Abgasenergie, die dem Abgas immanent ist, nutzen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird. Eine als Generator betreibbare Elektromaschine wird von der ersten Turbine angetrieben und erzeugt elektrischen Strom. Die rückgewonnene Energie ist speicherbar bzw. anderweitig verwendbar. Die rückgewonnene Energie kann insbesondere für den Antrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters genutzt werden.
Die Generatorturbine kann aber auch deaktiviert werden. Ist – wie vorliegend – die Generatorturbine die erste dauerhaft betreibbare Turbine, lässt sich der Abgasstrom zur Generatorturbine beliebig drosseln, gegebenenfalls vollständig unterbinden, so dass sich die Generatorturbine bei Verwendung einer Hochdruck-AGR auch dazu eignet, das für hohe Rückführraten erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem zu generieren. Das Abgas kann auch der zweiten zuschaltbaren Turbine anstatt der Generatorturbine zugeführt werden, um die zweite abgeschaltete Turbine mitsamt zweitem Verdichter zwecks Zuschaltens gezielt zu beschleunigen.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Verdichter der elektrisch angetriebene Verdichter und der erste Verdichter der Verdichter des Abgasturboladers ist. Dann wird im Betrieb der Brennkraftmaschine der Verdichter des Abgasturboladers zwecks Aufladung dauerhaft betrieben, während der elektrisch angetriebene Verdichter nur im Bedarfsfall bei hohen Drehzahlen bzw. hohen Lasten, d. h. bei großen bereitzustellenden Ladeluftmengen, zugeschaltet wird. Die Verdichter können entsprechend ausgelegt werden.
Vorteilhaft sind dabei auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine die Generatorturbine und die erste Turbine die Turbine des Abgasturboladers ist.
Die zweite Turbine kann als Generatorturbine während des Betriebs der Brennkraftmaschine grundsätzlich zur Energierückgewinnung verwendet werden, aber auch abgeschaltet werden. Ist – wie vorliegend – die Generatorturbine die zuschaltbare Turbine, lässt sich der Abgasstrom zur Generatorturbine beliebig einstellen. Ist die zweite Turbine die Generatorturbine, ist kein Abgas erforderlich, um einen zweiten elektrisch angetriebenen Verdichter zwecks Zuschaltens gezielt zu beschleunigen, d. h. zu aktivieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes stromaufwärts der Turbinen vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes stromabwärts der Verdichter in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes und stromabwärts der Verdichter ein Drosselelement im Ansaugsystem angeordnet ist.
Um das für hohe Rückführraten erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem zu erzeugen, kann es vorteilhaft sein, ein Drosselelement im Ansaugsystem vorzusehen, um einlassseitig den Druck stromabwärts der Verdichter zu senken.
Die vorstehend beschriebene Hochdruck-AGR kann zur Erzielung ausreichend hoher Rückführraten auch durch eine Niederdruck-AGR ergänzt werden.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Rückführleitung umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes stromabwärts der Turbinen vom Abgasabführsystem abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes stromaufwärts des ersten Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Turbinen und stromaufwärts des ersten Knotenpunktes mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen ein Partikelfilter als Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist. Zur Minimierung der Emission von Rußpartikeln werden regenerative Partikelfilter eingesetzt, die die Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern und speichern, wobei diese Rußpartikel im Rahmen der Regeneration des Filters intermittierend verbrannt werden.
Da das Abgas einer Niederdruck-AGR durch den Verdichter strömt, ist es vorteilhaft, das Abgas einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, zu unterziehen, damit Ablagerungen im Verdichter bzw. im Ansaugsystem vermieden werden.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes ein Drosselelement im Ansaugsystem angeordnet ist.
Um das für hohe Rückführraten erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem zu erzeugen, kann es vorliegend vorteilhaft sein, ein Drosselelement im Ansaugsystem vorzusehen, um einlassseitig den Druck stromaufwärts der Einmündung der Rückführleitung zu senken.
Bei hohen Lasten bzw. hohen Drehzahlen, wenn der zweite Verdichter zugeschaltet ist, kann ein erster elektrisch angetriebener Verdichter auch ausschließlich zur Förderung von rückgeführtem Abgas eingesetzt werden. Dazu muss der erste Verdichter thermisch entsprechend belastbar sein bzw. das rückgeführte Abgas ausreichend gekühlt werden. Ein im Ansaugsystem vorgesehenes Drosselelement kann bzw. muss geschlossen werden bzw. bleiben.
Die vorstehend beschriebene Niederdruck-AGR kann zur Erzielung ausreichend hoher Rückführraten auch durch eine Hochdruck-AGR ergänzt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der Abgasrückführung ein Kühler zur Kühlung des rückzuführenden Abgases angeordnet ist.
Der AGR-Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom bevor das Abgas im Ansaugsystem mit Frischluft gemischt wird und steigert damit die Dichte der Abgase. Letzteres ist insbesondere im Hinblick auf die Realisierung hoher Rückführraten von Relevanz. Die Temperatur der Zylinderfrischladung wird ebenfalls gesenkt, weshalb der AGR-Kühler auch zu einer besseren Zylinderfüllung beiträgt. Kondensat, das sich beim Kühlen des Abgases bildet, kann bereits im Rahmen der Abgasrückführung gesammelt und abgeschieden werden, so dass die Kondensatbildung im Ansaugsystem und die damit einhergehende Problematik entfallen bzw. nur vermindert stark auftreten.
Vorzugsweise ist eine Bypassleitung vorgesehen, die den AGR-Kühler überbrückt und mit der das mittels Abgasrückführung rückgeführte Abgas bei Umgehung des Kühlers in das Ansaugsystem eingeleitet werden kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung der Abgasrückführung ein als AGR-Ventil dienendes Stellelement zur Einstellung einer Rückführrate angeordnet ist. Das AGR-Ventil dient der Einstellung der via Rückführleitung zurückgeführten Abgasmenge.
Bei Verwendung eines sogenannten Kombiventils als Stellelement kann sowohl die rückgeführte Abgasmenge bemessen als auch gleichzeitig die angesaugte Frischluftmenge gedrosselt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des zweiten Verdichters ein Absperrelement in der zugehörigen separaten Ansaugleitung angeordnet ist. Das Absperrelement dient mit dazu, den zweiten zuschaltbaren Verdichter abzuschalten, d. h. zu deaktivieren. Ein Schließen des Absperrelements soll verhindern, dass der erste in Betrieb befindliche Verdichter via Ansaugsystem und separater Ansaugleitung Ladeluft in den abgeschalteten Verdichter hinein fördert.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der zweite Verdichter mit einer Abblaseleitung ausgestattet ist, die zwischen dem zweiten Verdichter und dem Absperrelement aus der zugehörigen separaten Ansaugleitung abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des ersten Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Die geöffnete Abblaseleitung soll verhindern, dass der abgeschaltete zweite Verdichter Ladeluft gegen ein geschossenes Absperrelement fördert, d. h. gegen eine versperrte Ansaugleitung arbeitet. Ein solches Szenario könnte sich ergeben, falls der zweite Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers ist und wenn der zugehörigen Turbine vor dem Zuschalten Abgas zwecks Beschleunigung des Laufzeugs zugeführt wird. Dann fördert der Verdichter zunächst Ladeluft im abgeschalteten Zustand, in welchem das Absperrelement der zugehörigen separaten Ansaugleitung regelmäßig geschlossen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Abblaseleitung ein weiteres Absperrelement angeordnet ist, um die Abblaseleitung freizugeben und zu versperren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der ersten Turbine in der zugehörigen separaten Abgasleitung ein erstes Absperrelement angeordnet ist.
Ist die erste Turbine die Generatorturbine kann der Abgasstrom zur Generatorturbine mittels eines ersten Absperrelements beliebig eingestellt, d. h. gedrosselt, aber auch vollständig unterbunden werden. Insofern lässt sich der Abgasgegendruck stromaufwärts der Generatorturbine und bei Verwendung einer Hochdruck-AGR das Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem mittels erstem Absperrelement einstellen. Die Generatorturbine kann auch mittels ersten Absperrelements deaktiviert werden. Das Abgas kann auch der zweiten zuschaltbaren Turbine anstatt der Generatorturbine zugeführt werden, um die zweite abgeschaltete Turbine mitsamt zweitem Verdichter zwecks Zuschaltens gezielt zu beschleunigen und dies vorzugsweise unmittelbar vor dem Zuschalten.
Ist die erste Turbine die Turbine des Abgasturboladers ist das erste Absperrelement bei in Betrieb befindlichem Abgasturbolader bzw. in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine regelmäßig geöffnet, um unter Verwendung der Turbine die Antriebsleistung für den Verdichter bzw. die Verdichtung zur Verfügung stellen zu können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts der zweiten Turbine in der zugehörigen separaten Abgasleitung ein zweites Absperrelement angeordnet ist.
Ist die zweite Turbine die Turbine des Abgasturboladers, dient das zweite Absperrelement bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine dem Zuschalten bzw. Abschalten der zweiten Turbine, d. h. des Abgasturboladers, wobei das zweite Absperrelement geöffnet werden kann, um der zweiten abgeschalteten Turbine zwecks Zuschaltens Abgas zu zuführen.
Ist die zweite Turbine die Generatorturbine kann der Abgasstrom zur Generatorturbine zwecks Abschaltens mittels zweiten Absperrelements vollständig unterbunden werden. Der Generatorturbine kann aber auch mittels zweiten Absperrelements beliebig viel Abgas zugeführt werden, um Energie zurück zu gewinnen. Dann ist die Generatorturbine tatsächlich nicht abgeschaltet.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die erste Turbine und/oder die zweite Turbine eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Ist eine Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet, kann ein stromaufwärts der Turbine im Abgasabführsystem vorliegender Abgasdruck erhöht werden, indem die variable Turbinengeometrie in Richtung Schließstellung verstellt wird. Die von einer Generatorturbine mittels Generator aus dem Abgas generierte Leistung und damit die rückgewonnene elektrische Energie nehmen regelmäßig mit zunehmendem Abgasgegendruck zu, da der Abgasgegendruck prinzipbedingt auch das Turbinendruckverhältnis erhöht, das maßgeblich die Höhe der an der Turbine generierten Antriebsleistung mitbestimmt.
Eine variable Turbinengeometrie gestattet grundsätzlich eine weitgehende Anpassung an den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie. Dabei sind im Eintrittsbereich der Turbine verstellbare Leitschaufeln zur Beeinflussung der Strömungsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zu den Laufschaufeln des umlaufenden Laufrades rotieren die Leitschaufeln nicht mit der Welle der Turbine.
Verfügt die Turbine über eine feste unveränderliche Geometrie, sind die Leitschaufeln nicht nur stationär, sondern zudem völlig unbeweglich im Eintrittsbereich angeordnet, d. h. starr fixiert, falls überhaupt eine Leiteinrichtung vorgesehen ist. Bei einer variablen Geometrie hingegen sind die Leitschaufeln zwar stationär angeordnet, aber nicht völlig unbeweglich, sondern um ihre Achse drehbar, so dass auf die Anströmung der Laufschaufeln Einfluss genommen werden kann.
Durch Verstellen der Turbinengeometrie kann Einfluss genommen werden auf den Abgasdruck stromaufwärts der Turbine und damit bei einer Hochdruck-AGR auf das treibende Druckgefälle zwischen Abgasabführsystem und Ansaugsystem.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine und/oder die zweite Turbine mit einer Bypassleitung ausgestattet ist, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromabwärts der Turbine in das Abgasabführsystem mündet und in der ein Stellelement angeordnet ist.
Dann kann das Abgas oder ein Teil des Abgases via Bypassleitung an der Turbine vorbei und stromabwärts in das Abgasabführsystem geführt werden. Die Turbine kann im Einzelfall auf kleine Abgasmengen ausgelegt werden, wobei bei größeren Abgasmengen die Bypassleitung freigegeben wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite zuschaltbare Turbine mit einer Bypassleitung ausgestattet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Akkumulator vorgesehen ist, um vom Generator bereitgestellte Energie zu speichern. Dann muss die aus dem heißen Abgas rückgewonnene Energie nicht zeitgleich bzw. unmittelbar weiter verwendet werden, sondern kann für eine spätere Nutzung bzw. Verwendung zwischengespeichert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Kondensator vorgesehen ist, um vom Generator bereitgestellte Energie zu speichern. Gegenüber einem Akkumulator zeichnet sich der Kondensator dadurch aus, dass mittels schneller Entladung hohe Ladungsmengen bzw. Energiemengen kurzfristig bereitgestellt werden können.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Ladeluftkühler stromabwärts der Verdichter im Ansaugsystem angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen und gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die vier Zylinder 2 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe angeordnet sind. Jeder Zylinder 2 verfügt über mindestens eine Auslassöffnung, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem 4 anschließt. Die Abgasleitungen sämtlicher Zylinder 2 führen unter Ausbildung eines Abgaskrümmers zusammen. Ein Ansaugsystem 3 dient zur Versorgung der vier Zylinder 2 mit Ladeluft.
Im Ansaugsystem 3 der Brennkraftmaschine 1 sind zwei Verdichter 6a, 7a angeordnet. Die Verdichter 6a, 7a sind parallel und jeweils in einer separaten Ansaugleitung 3a, 3b des Ansaugsystems 3 angeordnet, wobei die separaten Ansaugleitungen 3a, 3b stromabwärts der Verdichter 6a, 7a zu einer Gesamtansaugleitung 3c zusammenführen. Ein erster Verdichter 6a ist als dauerhaft betriebener Verdichter 6a und ein zweiter Verdichter 7a als zuschaltbarer Verdichter 7a ausgebildet.
Ähnlich sind im Abgasabführsystem 4 zwei Turbinen 6b, 7b angeordnet. Die Turbinen 6b, 7b sind parallel und jeweils in einer separaten Abgasleitung 4a, 4b des Abgasabführsystems 4 angeordnet, wobei die separaten Abgasleitungen 4a, 4b stromabwärts der Turbinen 6b, 7b zu einer Gesamtabgasleitung 4c zusammenführen, in der ein Partikelfilter 12a als Abgasnachbehandlungssystem 12 angeordnet ist. Eine erste Turbine 6b ist als dauerhaft betreibbare Turbine 6b und eine zweite Turbine 7b als zuschaltbare Turbine 7b ausgebildet.
Die erste im Abgasabführsystem 4 angeordnete Turbine 6b ist mit einer als Generator 9b´ dienenden Elektromaschine 9b´ verbunden. Der Generator 9b´ nimmt Leistung von der ersten Turbine 6b auf, weshalb die erste Turbine 6b auch als Generatorturbine 9b bezeichnet wird.
Der erste im Ansaugsystem 3 angeordnete Verdichter 6a ist mit einer als Antrieb dienenden Elektromaschine 9a´ antriebsverbunden, so dass es sich bei dem ersten Verdichter 6a um einen elektrisch angetriebenen Verdichter 9a handelt. Die Elektromaschine 9a´ gibt zur Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks Leistung an den Verdichter 6a, 9a ab.
Die zweite zuschaltbare Turbine 7b und der zweite zuschaltbare Verdichter 7a bilden gemeinsam einen Abgasturbolader 8, d. h. die zweite Turbine 7b ist die Turbine 8b des Abgasturboladers 8 und der zweite Verdichter 7a ist der Verdichter 8a des Abgasturboladers 8. Die Turbine 8b des Abgasturboladers 8 ist als Waste-Gate-Turbine ausgeführt, wobei eine Bypassleitung 16 stromaufwärts der Turbine 8b aus der zugehörigen Abgasleitung 4b abzweigt und stromabwärts dieser Turbine 8b wieder in das Abgasabführsystem 4 mündet. In der Bypassleitung 16 ist ein Stellelement 16a angeordnet.
Stromaufwärts der ersten Turbine 6b ist in der zugehörigen separaten Abgasleitung 4a ein erstes Absperrelement 14a angeordnet, so dass der Abgasstrom zur Generatorturbine 9b beliebig eingestellt, aber auch vollständig unterbunden werden kann. Die Generatorturbine 9b kann mittels ersten Absperrelements 14a deaktiviert werden.
Stromaufwärts der zweiten Turbine 7b ist in der zugehörigen separaten Abgasleitung 4b ein zweites Absperrelement 14b angeordnet. Das zweite Absperrelement 14b dient bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine 1 dem Zu- und Abschalten der zweiten Turbine 7b. Das zweite Absperrelement 14b kann auch geöffnet werden, um einer zweiten abgeschalteten Turbine 7b Abgas zu zuführen und die zweite abgeschaltete Turbine 7b mitsamt dem zweiten abgeschalteten Verdichter 7a zwecks Zuschaltens zu beschleunigen, d. h. auf Drehzahl zu bringen.
Mittels der vorstehend beschriebenen Absperrelemente 14a, 14b, die stromaufwärts der Turbinen 6b, 7b angeordnet sind, lässt sich auch der Abgasdruck stromaufwärts der Turbinen 6b, 7b einstellen und damit auch das treibende Druckgefälle der Hochdruck-AGR 10a.
Vorliegend verfügt die Brennkraftmaschine 1 nämlich über eine Abgasrückführung 10, deren Rückführleitung 11 unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 11a stromaufwärts der Turbinen 6b, 7b vom Abgasabführsystem 4 abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 11b stromabwärts der Verdichter 6a, 7a in das Ansaugsystem 3 mündet.
In der Rückführleitung 11 dieser Hochdruck-AGR 10a ist ein Kühler 11c zur Kühlung des rückzuführenden Abgases angeordnet und stromabwärts des Kühlers 11c ein als AGR-Ventil 11d dienendes Stellelement 11d zur Einstellung einer Rückführrate.
Zwischen dem zweiten Knotenpunkt 11b und den Verdichtern 6a, 7a ist ein Drosselelement 13 im Ansaugsystem 3 angeordnet, mit dem ebenfalls auf das treibende Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem 4 und dem Ansaugsystem 3 Einfluss genommen werden kann.
Stromabwärts des zweiten zuschaltbaren Verdichters 7a ist ein Absperrelement 13b in der zugehörigen separaten Ansaugleitung 3b angeordnet, so dass der zweite Verdichter 7a vollständig vom übrigen Ansaugsystem 3 abgetrennt, d. h. deaktiviert werden kann, und der erste Verdichter 6a nicht in den zweiten abgeschalteten Verdichter 7a hinein fördert. Um sicherzustellen, dass der zweite Verdichter 7a nicht gegen den Widerstand des verschlossenen Absperrelements 13b fördert, ist eine Abblaseleitung 15 vorgesehen, die zwischen dem zweiten Verdichter 7a und dem Absperrelement 13b aus der zugehörigen Ansaugleitung 3b abzweigt und in der ein weiteres Absperrelement 15a angeordnet ist (gestrichelt dargestellt). Via Abblaseleitung 15 kann Ladeluft in die erste Ansaugleitung 3a stromaufwärts des ersten Verdichters 6a gefördert werden.
Stromabwärts der Verdichter 6a, 7a ist ein Ladeluftkühler 5 im Ansaugsystem 3 angeordnet. Der Ladeluftkühler 5 senkt die Ladelufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, weshalb der Kühler 5 zu einer besseren Füllung der Zylinder 2 mit Ladeluft beiträgt.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die in 2 dargestellte Brennkraftmaschine 1 mit einer Niederdruck-AGR 10b ausgestattet. Zur Ausbildung der Niederdruck-AGR 10b ist eine Rückführleitung 11 vorgesehen, die stromabwärts der Turbinen 6b, 7b unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 11a von der Gesamtabgasleitung 4c abzweigt und stromaufwärts des ersten Verdichters 6a unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 11b in das Ansaugsystem 3 mündet. Ein Kühler 11c senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom bevor das Abgas stromaufwärts des Verdichters 6a mit Frischluft, die via Ansaugleitung 3a über einen Luftfilter angesaugt wird, gemischt wird.
Die Rückführung von Abgas aus dem Abgasabführsystem 4 in das Ansaugsystem 3 erfordert eine Druckdifferenz, d. h. ein Druckgefälle. Vorliegend ist stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes 11b ein Drosselelement 13a im Ansaugsystem 3 angeordnet, um den Druck im Ansaugsystem 3 mindern und damit das Druckgefälle steigern zu können.
Bezugszeichenliste

1: aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor
2: Zylinder
3: Ansaugsystem
3a: Ansaugleitung
3b: Ansaugleitung
3c: Gesamtansaugleitung
4: Abgasabführsystem
4a: Abgasleitung
4b: Abgasleitung
4c: Gesamtabgasleitung
5: Ladeluftkühler
6a: erster Verdichter, dauerhaft betreibbarer Verdichter
6b: erste Turbine, dauerhaft betreibbare Turbine
7a: zweiter Verdichter, zuschaltbarer Verdichter
7b: zweite Turbine, zuschaltbare Turbine
8: Abgasturbolader
8a: Verdichter des Abgasturboladers
8b: Turbine des Abgasturboladers
9a: elektrisch angetriebener Verdichter
9a´: Elektromaschine, elektrischer Antrieb
9b: Generatorturbine
9b´: Elektromaschine, Generator
10: Abgasrückführung, AGR
10a: Hochdruck-AGR
10b: Niederdruck-AGR
11: Rückführleitung
11a: erster Knotenpunkt
11b: zweiter Knotenpunkt
11c: AGR-Kühler
11d: Stellelement, AGR-Ventil
12: Abgasnachbehandlungssystem
12a: Partikelfilter
13: Drosselelement
13a: Drosselelement
13b: Absperrelement
14a: erstes Absperrelement
14b: zweites Absperrelement
15: Abblaseleitung
15a: weiteres Absperrelement
16: Bypassleitung
16a: Stellelement
AGR: Abgasrückführung
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Luft: Masse an zugeführter Luft
x_AGR: Abgasrückführrate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1640595 A1 [0020, 0038]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einem Zylinder (2), – einem Ansaugsystem (3) zur Versorgung des mindestens einen Zylinders (2) mit Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (4) zur Abführung der Abgase, – mindestens zwei im Ansaugsystem (3) parallel angeordneten Verdichtern (6a, 7a), die jeweils in einer separaten Ansaugleitung (3a, 3b) des Ansaugsystems (3) angeordnet sind, wobei die separaten Ansaugleitungen (3a, 3b) stromabwärts der Verdichter (6a, 7a) zu einer Gesamtansaugleitung (3c) zusammenführen und ein erster Verdichter (6a) als dauerhaft betriebener Verdichter (6a) und ein zweiter Verdichter (7a) als zuschaltbarer Verdichter (7a) ausgebildet ist, – mindestens zwei im Abgasabführsystem (4) parallel angeordneten Turbinen (6b, 7b), die jeweils in einer separaten Abgasleitung (4a, 4b) des Abgasabführsystems (4) angeordnet sind, wobei die separaten Abgasleitungen (4a, 4b) stromabwärts der Turbinen (6b, 7b) zu einer Gesamtabgasleitung (4c) zusammenführen und eine erste Turbine (6b) als dauerhaft betreibbare Turbine (6b) und eine zweite Turbine (7b) als zuschaltbare Turbine (7b) ausgebildet ist, und – mindestens einer Abgasrückführung (10), die eine Rückführleitung (11) umfasst, bei der – eine im Abgasabführsystem (4) angeordnete Turbine (8b) und ein im Ansaugsystem (3) angeordneter Verdichter (8a) gemeinsam einen Abgasturbolader (8) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass – eine im Abgasabführsystem (4) angeordnete Turbine (9b) mit einer Elektromaschine (9b´) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei die Elektromaschine (9b´) als Generator (9b´) betreibbar ist, der Leistung von der Turbine (9b) aufnimmt, weshalb diese Turbine (9b) als Generatorturbine (9b) zu bezeichnen ist, und – ein im Ansaugsystem (3) angeordneter Verdichter (9a) mit einer Elektromaschine (9a´) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei die Elektromaschine (9a´) als Antrieb dient, der zur Bereitstellung eines angeforderten Ladedrucks Leistung an den Verdichter (9a) abgibt, der somit als elektrisch angetriebener Verdichter (9a) ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (6a) der elektrisch angetriebene Verdichter (9a) und der zweite Verdichter (7a) der Verdichter (8a) des Abgasturboladers (8) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (6b) die Generatorturbine (9b) und die zweite Turbine (7b) die Turbine (8b) des Abgasturboladers (8) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (7a) der elektrisch angetriebene Verdichter (9a) und der erste Verdichter (6a) der Verdichter (8a) des Abgasturboladers (8) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Turbine (7b) die Generatorturbine (9b) und die erste Turbine (6b) die Turbine (8b) des Abgasturboladers (8) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (10, 10a) vorgesehen ist, die eine Rückführleitung (11) umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (11a) stromaufwärts der Turbinen (6b, 7b) vom Abgasabführsystem (4) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (11b) stromabwärts der Verdichter (6a, 7a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (11b) und stromabwärts der Verdichter (6a, 7a) ein Drosselelement (13) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführung (10, 10b) vorgesehen ist, die eine Rückführleitung (11) umfasst, welche unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (11a) stromabwärts der Turbinen (6b, 7b) vom Abgasabführsystem (4) abzweigt und unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (11b) stromaufwärts des ersten Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbinen (6b, 7b) und stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (11a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (12) im Abgasabführsystem (4) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des zweiten Knotenpunktes (11b) ein Drosselelement (13a) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) der Abgasrückführung (10) ein Kühler (11c) zur Kühlung des rückzuführenden Abgases angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (11) der Abgasrückführung (10) ein als AGR-Ventil (11d) dienendes Stellelement (11d) zur Einstellung einer Rückführrate angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Verdichters (7a) ein Absperrelement (13b) in der zugehörigen separaten Ansaugleitung (3b) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (7a) mit einer Abblaseleitung (15) ausgestattet ist, die zwischen dem zweiten Verdichter (7a) und dem Absperrelement (13b) aus der zugehörigen separaten Ansaugleitung (3b) abzweigt und stromaufwärts des ersten Verdichters (6a) in das Ansaugsystem (3) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abblaseleitung (15) ein weiteres Absperrelement (15a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der ersten Turbine (6b) in der zugehörigen separaten Abgasleitung (4a) ein erstes Absperrelement (14a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der zweiten Turbine (7b) in der zugehörigen separaten Abgasleitung (4b) ein zweites Absperrelement (14b) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (6b) und/oder die zweite Turbine (7b) eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Turbine (6b) und/oder die zweite Turbine (7b) mit einer Bypassleitung (16) ausgestattet ist, die stromaufwärts der Turbine (6b, 7b) aus dem Abgasabführsystem (4) abzweigt und stromabwärts der Turbine (6b, 7b) in das Abgasabführsystem (4) mündet und in der ein Stellelement (16a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator vorgesehen ist, um vom Generator (9b´) bereitgestellte Energie zu speichern.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladeluftkühler (5) stromabwärts der Verdichter (6a, 7a) im Ansaugsystem (3) angeordnet ist.