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Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinder,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase,
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, und
- - mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- - einer Dosiereinrichtung zum Einbringen zusätzlicher Luft mit mindestens einer Leitung, wobei die Dosiereinrichtung mit einem Druckluftbehältnis, welches die zusätzliche Luft bevorratet, ausgestattet ist und die mindestens eine Leitung der Dosiereinrichtung mittels einer Versorgungsleitung mit dem Druckluftbehältnis zwecks Versorgung mit Druckluft strömungstechnisch zumindest verbindbar ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Befüllen des Druckluftbehältnisses der Dosiereinrichtung einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
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Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.
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Brennkraftmaschinen werden daher 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.
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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.
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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.
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Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
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Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
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Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem Lader, der mittels Hilfsantrieb angetrieben wird, 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.
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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, die auch das Packaging im Motorraum nachteilig beeinflusst bzw. bestimmt.
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Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht wiederum darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar nahezu verzögerungsfrei und 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.
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Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen und insbesondere verzögerungsfrei 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 bzw. der Turbinenleistung abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis bzw. einer kleineren Turbinenleistung. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
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Eine mittels Abgasturboaufladung aufgeladene Brennkraftmaschine leidet grundsätzlich darunter, dass bei einer erhöhten Lastanforderung zunächst die Turbinenleistung gesteigert werden muss, um die erforderliche Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen zu können. Dies führt im instationären Betrieb der Brennkraftmaschine zu einem gewissen Verzögerungseffekt, der unerwünscht ist. Es sind Maßnahmen erforderlich, um das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine im instationären Betrieb zu verbessern.
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Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Abgasturbolader, wobei mindestens ein weiterer Verdichter vorgesehen sein kann und zwar sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines weiteren Abgasturboladers.
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Die Drehmomentcharakteristik einer abgasturboaufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
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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.
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Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Motorkennfeld bzw. Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
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Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was im unteren Drehzahlbereich die Drehmomentcharakteristik deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem, wobei in der Bypassleitung ein Absperrelement angeordnet ist, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.
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Das Downsizing wird durch eine mehrstufige Aufladung mittels Abgasturboladern weiter fortgeführt. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derartig aufgeladenen Brennkraftmaschine deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung, da die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist und sich das Laufzeug eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen lässt.
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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.
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Bei Einsatz mehrerer Abgasturbolader zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik wird der beobachtete Drehmomentabfall regelmäßig nur zu niedrigeren Drehzahlen hin verschoben. Gegebenenfalls werden einzelne Abgasturbolader bei Verringerung der Motordrehzahl deaktiviert, so dass beim erneuten Zuschalten des Abgasturboladers das Laufzeug des zugehörigen Verdichters und der zugehörigen Turbine zunächst beschleunigt werden muss, um verdichterseitig den gewünschten Ladedruck generieren und bereitstellen zu können. Das Ansprechverhalten verschlechtert sich.
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Die vorstehend genannten Maßnahmen können das verzögerte Ansprechen der Aufladung nur in begrenztem Maß verbessern, da in jedem Fall die für den Turbinenantrieb erforderliche Abgasenergie erst aufgebaut bzw. bereitgestellt werden muss. Dieses Problem kann nur beseitigt werden, wenn der Abgasturbolader mittels einer Antriebsenergie beschleunigt wird, die zum Zeitpunkt der Drehmomentanforderung bereits zur Verfügung steht, d. h. verzögerungsfrei zur Verfügung steht.
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Aus dem Stand der Technik sind Konzepte bekannt, bei denen stromaufwärts der Turbine Luft in das Abgasabführsystem eingeblasen wird, um die Turbine und damit die Welle des Abgasturboladers zu beschleunigen. Die Luft stammt aus einem Druckbehältnis, welches bei Bedarf mittels elektrischem Kompressor mit Druckluft befüllbar ist bzw. befüllt wird. Zwar verbessert dies das instationäre Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist aber, dass die für den elektrischen Kompressor bereitgestellte bzw. aufgewendete Antriebsleistung die Reibleistung der Brennkraftmaschine erhöht und damit den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert.
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Vor dem Hintergrund des oben Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die in Bezug auf die Aufladung, insbesondere in Bezug auf die Drehmomentcharakteristik, und hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Befüllen des Druckluftbehältnisses der Dosiereinrichtung einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
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Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - mindestens einem Zylinder,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase,
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, und
- - mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- - einer Dosiereinrichtung zum Einbringen zusätzlicher Luft mit mindestens einer Leitung, wobei die Dosiereinrichtung mit einem Druckluftbehältnis, welches die zusätzliche Luft bevorratet, ausgestattet ist und die mindestens eine Leitung der Dosiereinrichtung via einer Versorgungsleitung mit dem Druckluftbehältnis zwecks Versorgung mit Druckluft strömungstechnisch zumindest verbindbar ist,
und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - das Druckluftbehältnis zwecks Befüllung mit Druckluft mit dem Abgasabführsystem strömungstechnisch zumindest verbindbar ist.
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Erfindungsgemäß kann unter Verwendung der Dosiereinrichtung sowohl stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers zusätzlich Luft in das Ansaugsystem als auch stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers zusätzlich Luft in das Abgasabführsystem eingebracht werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik kann das Druckluftbehältnis der Dosiereinrichtung erfindungsgemäß unter Verwendung der Brennkraftmaschine selbst mit Druckluft befüllt werden.
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Zwecks Befüllung mit Druckluft ist das Druckluftbehältnis erfindungsgemäß nämlich mit dem Abgasabführsystem verbindbar, so dass das Druckluftbehältnis im unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine via Abgasabführsystem mit Luft befüllt werden kann. Um das Druckluftbehältnis mit dem Abgasabführsystem verbinden oder vom Abgasabführsystem trennen zu können, eignet sich ein Absperrelement.
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Befindet sich die Brennkraftmaschine beispielsweise im Schubbetrieb oder im Bremsbetrieb, d. h. im unbefeuerten Betrieb, lässt sich das Druckluftbehältnis via Abgasabführsystem mit Luft befüllen, wobei die Brennkraftmaschine selbst als Kolbenarbeitsmaschine bzw. Pumpe fungiert. Diese Vorgehensweise stellt eine pneumatische Energierückgewinnung dar.
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Erfindungsgemäß kann der elektrisch antreibbare Kompressor zum Befüllen des Druckluftbehältnisses somit entfallen, wodurch sich die Reibleistung der Brennkraftmaschine reduzieren lässt.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die in Bezug auf die Aufladung, insbesondere in Bezug auf die Drehmomentcharakteristik, und hinsichtlich des Wirkungsgrades verbessert ist.
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Die Welle des Abgasturboladers lässt sich durch Einbringen von Luft beschleunigen, wobei erfindungsgemäß sowohl der Impuls der eingebrachten Luft als auch die Masse der eingebrachten Luft als solche genutzt werden kann. Das mindestens eine Laufrad ist regelmäßig auf der Welle drehfest befestigt.
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Das Einbringen von zusätzlicher Luft kann auch dazu dienen, die Welle des Abgasturboladers auf einer bestimmten Drehzahl zu halten, d. h. das Unterschreiten einer Mindestdrehzahl des Abgasturboladers bzw. des Verdichters zu verhindern. Ein etwaiges Beschleunigen der Welle wird dadurch erleichtert. Es ergibt sich ein weiterer relevanter Vorteil. Fällt nämlich die Drehzahl der Laderwelle unter eine Mindestdrehzahl oder kommt die Laderwelle gar zum Stillstehen, kann die Dichtung der Lagerung der ölgeschmierten Laderwelle verdichterseitig lecken. Eine ansaugseitige Ölleckage hat gravierende Nachteile. Gelangt Öl in das Ansaugsystem, beeinflusst die mit Öl kontaminierte den Zylindern zugeführte Frischladung den Verbrennungsprozess nachteilig, wodurch sich insbesondere die Partikelrohemissionen stark erhöhen können. Das Öl kann sich auch an den Innenwandungen des Ansaugsystems ablagern und die Strömungsbedingungen im Ansaugsystem bzw. im Verdichter verschlechtern sowie einen stromabwärts angeordneten Ladeluftkühler verunreinigen.
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Das Druckluftbehältnis ist ein Reservoir, in dem die zusätzliche Luft bevorratet wird. Vorzugsweise steht die im Behältnis befindliche Luft unter einem erhöhten Druck, der als treibende Kraft zum Einbringen der Luft dient bzw. verwendet wird. Je höher der Druck ist desto größer ist das treibende Druckgefälle zwischen dem Behältnis und der mindestens einen Leitung der Dosiereinrichtung und desto mehr Luft kann in dem Behältnis bevorratet bzw. je kleiner kann das Behältnis dimensioniert werden. Der Druck kann 3bar betragen und beträgt vorzugsweise bis zu 10bar.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Absperrelement in der Versorgungsleitung angeordnet ist, welches die Versorgungsleitung freigibt oder versperrt. Die mindestens eine Leitung der Dosiereinrichtung ist dann mit dem Druckluftbehältnis durch Öffnen des in der Versorgungsleitung vorgesehenen Absperrelements verbindbar, wobei der Druck auch als treibende Kraft zum Einbringen der Luft dient.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Druckluftbehältnis via einer Befüllungsleitung mit dem Abgasabführsystem strömungstechnisch zumindest verbindbar ist, wobei die Befüllungsleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Abgasabführsystem mündet.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt stromabwärts der Turbine des mindestens Abgasturboladers angeordnet ist und/oder stromaufwärts einer gegebenenfalls im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlung.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Absperrelement vorgesehen ist, welches die Befüllungsleitung zwecks Befüllung des Druckluftbehältnisses freigibt oder versperrt.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement in einer Ruheposition die Befüllungsleitung versperrt und das Abgasabführsystem freigibt und in einer Arbeitsposition die Befüllungsleitung freigibt und das Abgasabführsystem stromabwärts des Knotenpunktes versperrt. Dann kann die im unbefeuerten Betrieb von der Brennkraftmaschine als Pumpe geförderte Luft nur in das Druckluftbehältnis gelangen und nicht via Abgasabführsystem entweichen.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine verschwenkbare Klappe als Absperrelement dient, wobei die Klappe am Knotenpunkt angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Leitung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades des Verdichters via Austrittsöffnung mit dem Ansaugsystem strömungstechnisch zumindest verbindbar ist.
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Vorliegend wird unter Verwendung der Dosiereinrichtung stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers zusätzlich Luft in das Ansaugsystem eingebracht. Das einlassseitige Einbringen von zusätzlicher Luft hat mehrere vorteilhafte Effekte.
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Das Einbringen zusätzlicher Luft als solches erhöht grundsätzlich die dem Verdichter zugeführte Luftmenge und damit die dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine via Ansaugsystem zugeführte Luftmasse, wodurch die Aufladung in ihrer originären Funktion unterstützt wird, der Brennkraftmaschine mehr Luft zu zuführen. Insbesondere das hin zu kleineren Verdichterströmen beobachtete Pumpen des Verdichters lässt sich durch Einbringen von Luft verhindern bzw. mindern.
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Darüber hinaus eignet sich das einlassseitige Einbringen zusätzlicher Luft in das Ansaugsystem sowohl für selbstzündende Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Dieselmotoren, die überstöchiometrisch betrieben werden, als auch für fremdgezündete Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Ottomotoren, die stöchiometrisch betrieben werden, denn die zusätzliche Luft gelangt vorliegend nicht in das Abgasabführsystem, sondern in das Ansaugsystem. Insofern muss auf eine etwaige Abgasnachbehandlung keine Rücksicht genommen werden.
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Beim Einbringen von zusätzlicher Luft stromaufwärts des Verdichters kann sich zumindest zeitweise ein positives Druckgefälle über das mindestens eine Laufrad des Verdichters aufbauen. Der Druck stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades ist dann größer als der Druck stromabwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, so dass der Verdichter im Rahmen des Beschleunigungsvorganges der Welle kurzzeitig wie eine Turbine betrieben wird, d. h. im Turbinenmodus angetrieben wird.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die mindestens eine Leitung stromaufwärts des mindestens einen Laufrades der Turbine via Austrittsöffnung mit dem Abgasabführsystem strömungstechnisch zumindest verbindbar ist.
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Vorliegend wird unter Verwendung der Dosiereinrichtung stromaufwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers zusätzlich Luft in das Abgasabführsystem eingebracht.
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Das auslassseitige Einbringen von zusätzlicher Luft eignet sich in der Regel nur für Brennkraftmaschinen, die überstöchiometrisch betrieben werden, beispielsweise Dieselmotoren, deren Abgase von Hause aus einen Luft- bzw. Sauerstoffüberschuss aufweisen und deren Abgasnachbehandlung darauf ausgelegt ist, Abgase aus einer überstöchiometrischen Verbrennung zu behandeln.
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Nichtsdestotrotz kann diese Vorgehensweise, nämlich das Einblasen kühler Luft in das Abgasabführsystem, vorteilhafte Effekte mit sich bringen, insbesondere die vom heißen Abgas thermisch hoch belastete und beanspruchte Turbine kühlen, wodurch die Dauerhaltbarkeit der Turbine vorteilhaft beeinflusst werden kann.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mit der mindestens einen Leitung die zusätzliche Luft strahlförmig und auf das mindestens eine Laufrad hin ausgerichtet einbringbar ist.
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Dabei wird der Impuls der strahlförmig eingebrachten Luft genutzt, um einen Drehimpuls bzw. ein antreibendes Drehmoment auf das mindestens eine Laufrad auszuüben bzw. in das mindestens eine Laufrad einzuleiten. Um das mindestens eine Laufrad auf diese Weise zu beschleunigen bzw. in Drehung zu versetzen, ist der aus der mindestens einen Leitung via Öffnung austretende Luftstrahl auf das mindestens eine Laufrad hin ausgerichtet, wobei jeder Luftstrahl einen möglichst großen Abstand zur drehbaren Welle aufweisen sollte, da der Abstand als Hebel dient und wirkt. Je größer der Abstand zur Welle gewählt wird desto größer ist das mittels Luftstrahl generierte Drehmoment um die Welle.
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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine von der Austrittsöffnung ausgehende virtuelle Verlängerung der mindestens einen Leitung im Wesentlichen parallel zur Welle ausgerichtet ist. Dann trifft ein aus einer Leitung austretender Luftstrahl im Wesentlichen frontal, d. h. von vorne auf das mindestens eine Laufrad.
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Die virtuelle Verlängerung einer Leitung versinnbildlicht den aus der Leitung austretenden Luftstrahl, dessen Ausrichtung und Ausbreitung maßgeblich vom Teilstück der Leitung stromaufwärts der Austrittsöffnung bestimmt wird. Eine Leitung kann an ihrer Austrittsöffnung als Düse ausgebildet sein bzw. mit einer Düse ausgestattet sein, um die austretende Luft zu bündeln, zu beschleunigen und/oder auszurichten.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine von der Austrittsöffnung ausgehende virtuelle Verlängerung der mindestens einen Leitung quer zur Welle ausgerichtet ist. Dann trifft ein aus einer Leitung austretender Luftstrahl regelmäßig von der Seite bzw. seitlich auf das mindestens eine Laufrad. Auf diese Weise lässt sich in vorteilhafter Weise ein antreibendes Drehmoment auf das mindestens eine Laufrad ausüben bzw. übertragen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die von der Austrittsöffnung ausgehende virtuelle Verlängerung der mindestens einen Leitung beabstandet zur Welle verläuft, vorzugsweise möglichst weit beabstandet.
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Ein aus einer Leitung austretender Luftstrahl übt im Zusammenwirken mit dem wirksamen Hebel ein antreibendes Drehmoment auf das mindestens eine Laufrad aus, wobei der Hebel sich aus dem Abstand zur drehbaren Welle bestimmt. Je größer der Abstand zur Welle ist desto größer ist das mittels Luftstrahl auf die Welle ausgeübte bzw. übertragene Drehmoment.
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Vorteilhaft sind aus diesem Grunde auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die von der Austrittsöffnung ausgehende virtuelle Verlängerung das mindestens eine Laufrad auf einem äußeren Umfang beabstandet zur Welle schneidet.
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Je größer der Abstand zur Welle gewählt wird desto größer ist in der Regel das mittels Luftstrahl um die Welle generierbare Drehmoment. Daher ist es vorteilhaft, wenn die virtuelle Verlängerung das Laufrad auf einem äußeren Umfang bzw. dem äußersten Umfang weit beabstandet zur Welle schneidet. Dann ist der Hebel besonders groß bzw. maximal.
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Zudem sind die Laufschaufeln des Laufrades am äußeren bzw. äußersten Umfang häufig schraubenförmig ausgebildet und quer zur Welle geneigt ausgerichtet, so dass ein seitlich auftreffender Luftstrahl einen maximalen Impuls auf die Schaufel übertragen kann.
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Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die von der Austrittsöffnung ausgehende virtuelle Verlängerung das mindestens eine Laufrad benachbart zu äußeren Laufschaufelkanten schneidet. Die Kanten bilden die Ränder der Schaufel, welche die Schaufel seitlich begrenzt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Luftfilter im Ansaugsystem vorgesehen ist. Der Luftfilter verhindert das Teilchen, insbesondere Festkörperpartikel, mit der Ladeluft in die Zylinder gelangen. Dadurch werden Beschädigungen vermieden und die Haltbarkeit bzw. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine wird erhöht.
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Wird unter Verwendung der Dosiereinrichtung zusätzliche Luft stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Luftfilter stromaufwärts der Dosiereinrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die zusätzliche Luft entweder nicht verunreinigt ist bzw. nicht gereinigt werden muss oder aber in einem separaten Filter gereinigt wird, der beispielsweise in der mindestens einen Leitung oder am Austritt aus einem Druckluftbehältnis angeordnet werden kann.
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Wird unter Verwendung der Dosiereinrichtung zusätzlich Luft stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht, sind auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen ein Absperrelement stromaufwärts der Dosiereinrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist. Dieses Absperrelement soll ein Rückströmen verhindern. Die zusätzlich in das Ansaugsystem eingebrachte Luft soll stromabwärts in Richtung des Verdichters strömen, damit die erfindungsgemäß anvisierten Effekte erzielt werden bzw. eintreten, und nicht stromaufwärts und in einen dort vorgesehenen Luftfilter gelangen.
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Stromaufwärts des Verdichters muss sich gegebenenfalls ein Druck aufbauen können, damit sich über das mindestens eine Verdichterlaufrad hinweg ein positives Druckgefälle einstellen kann.
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Vorteilhaft sind im vorstehenden Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement ein passives Absperrelement ist. Dann muss das Absperrelement nicht aktiv gesteuert werden. Ein passives, d. h. selbsttätig steuerndes Absperrelement schließt, sobald die Druckverhältnisse derart sind bzw. sich derart ändern, dass ein Rückströmen zu befürchten ist bzw. einsetzt.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Luftmassensensor im Ansaugsystem vorgesehen ist. Der Luftmassensensor erfasst die dem mindestens einen Zylinder der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge messtechnisch und stellt diese als Betriebsgröße vorzugsweise einer Motorsteuerung zur Verfügung, welche die zugehörige Kraftstoffmenge ermittelt, um ein gegebenenfalls vorgegebenes Luftverhältnis λ zu generieren.
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Wird unter Verwendung der Dosiereinrichtung zusätzliche Luft stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingebracht, sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Luftmassensensor stromabwärts der Dosiereinrichtung im Ansaugsystem angeordnet ist. Dann erfasst der Luftmassensensor auch die zusätzlich in das Ansaugsystem eingebrachte Luftmenge. Vorteilhaft bzw. sinnvoll ist dies insbesondere vor dem Hintergrund, dass auch diese zusätzliche Luft dem mindestens einen Zylinder zugeführt wird und an der Verbrennung teilnimmt. D. h. die zusätzliche Luft muss im Hinblick auf die Zylinderfrischladung und die einzubringende Kraftstoffmenge mit berücksichtigt werden.
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Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Luftmassensensor stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters sind die Temperaturen im Ladeluftstrom höher. Dies kann im Einzelfall Vorteile bieten. Zu berücksichtigen ist auch, ob eine Abgasrückführung vorgesehen ist und an welcher Stelle die Rückführleitung in das Ansaugsystem mündet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen ist. Der Ladeluftkühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der im Verdichter komprimierten Ladeluft. Der Kühler trägt so zu einer besseren Zylinderfüllung bei. Ein Luftmassensensor ist vorzugsweise stromaufwärts des Ladeluftkühlers angeordnet.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Radialverdichter ist. Dies bietet häufig Vorteile beim Packaging im Motorraum. Bei Radialverdichtern erfolgt die Abströmung der Laufschaufeln im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen radial bedeutet, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse des Verdichters bzw. Abgasturboladers und zwar in einem rechten Winkel, falls die Abströmung exakt radial verläuft. Der Verdichter kann auch ein Axialverdichter oder ein Mixed-Flow-Verdichter sein.
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Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen zusätzlich ein Kompressor zum Befüllen des Druckluftbehältnisses vorgesehen ist. Dies stellt sicher, dass das Druckluftbehältnis bei Bedarf stets befüllt werden kann.
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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Befüllen des Druckluftbehältnisses einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckluftbehältnis im unbefeuerten Betrieb der Brennkraftmaschine via Abgasabführsystem mit Luft befüllt wird.
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Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfordern entsprechend unterschiedliche Verfahrensvarianten, wozu auf die entsprechenden Ausführungen Bezug genommen wird.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Druckluftbehältnis im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine mit Luft befüllt wird.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Druckluftbehältnis im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine mit Luft befüllt wird.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Abgasabführsystem für eine vorgebbare Zeitspanne mit Luft gespült wird, bevor das Druckluftbehältnis befüllt wird. Das Spülen stellt sicher, dass kein Abgas in das Druckluftbehältnis gelangt.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen unter Verwendung der Dosiereinrichtung zusätzlich Luft eingebracht wird, um die Welle des mindestens einen Abgasturboladers zu beschleunigen.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen zusätzlich Luft in das Ansaugsystem eingebracht wird, falls die von der Turbine bereitgestellte Antriebsleistung nicht ausreicht, um einen angeforderten Ladedruck zu generieren.
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Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in Abhängigkeit von der Last und/oder der Drehzahl der Brennkraftmaschine zusätzlich Luft eingebracht wird.
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Die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine können unmittelbar Einfluss auf die Abgasmenge und damit auf das Turbinendruckverhältnis sowie das Ladedruckverhältnis haben. Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung der zusätzlichen Luftmenge in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine im Motorkennfeld.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1a, 1b und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1a schematisch eine Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine mit dem Absperrelement in der Ruheposition,
- 1b schematisch die in 1a dargestellte Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit dem Absperrelement in der Arbeitsposition, und
- 2 in einem Diagramm den Drehmomentaufbau bei steigender Lastanforderung mit und ohne das Einbringen zusätzlicher Luft.
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1a zeigt schematisch eine Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1 mit dem Absperrelement 8a in der Ruheposition.
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Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine 1 über ein Ansaugsystem 10 und zum Abführen der Abgase über ein Abgasabführsystem 9. Zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader 2 vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem 9 angeordnete Turbine 2e und einen im Ansaugsystem 10 angeordneten Verdichter 2a umfasst, die eine gemeinsame Welle 2d aufweisen. Der Verdichter 2a ist ein Radialverdichter, in dessen Gehäuse 2c ein auf der drehbaren Welle 2d gelagertes Laufrad 2b umläuft. Die Welle 2d des Laufrades 2b liegt in der Zeichenebene der 1a.
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Der Verdichter 2a des Abgasturboladers 2 weist einen Eintrittsbereich auf, der koaxial zur Welle 2d des Verdichters 2a verläuft und ausgebildet ist, so dass der Abschnitt des Ansaugsystems 10 stromaufwärts des Verdichters 2a keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter 2a des Abgasturboladers 2 bzw. dessen Laufrad 2b im Wesentlichen axial erfolgt.
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Die Turbine 2e des Abgasturboladers 2 weist eine Bypassleitung 13, d. h. ein Wate-Gate 13 auf, welches unter Verwendung eines Aktuators 13a geöffnet werden kann, um Abgas bzw. Luft an der Turbine 2e vorbeizuführen.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist des Weiteren mit einer Dosiereinrichtung 3 ausgestattet, mit der stromaufwärts des Verdichters 2a zusätzlich Luft in das Ansaugsystem 10 eingebracht werden kann. Die Dosiereinrichtung 3 umfasst vorliegend eine Leitung 3a, die stromaufwärts des Laufrades 2b angeordnet und auf das Laufrad 2b hin ausgerichtet ist.
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Vorliegend ist die eine Leitung 3a in der Art ausgerichtet, dass eine von der Austrittsöffnung 3b ausgehende virtuelle Verlängerung 3c der Leitung 3a quer und beabstandet zur Welle 2d verläuft. Der aus der Leitung 3a austretende Luftstrahl 3c trifft von der Seite auf das Laufrad 2b, wobei der Impuls des Luftstrahls 3c im Zusammenwirken mit dem wirksamen Hebel, der sich aus dem Abstand zur drehbaren Welle 2d bestimmt, ein antreibendes Drehmoment auf das Laufrad 2b ausübt. Je größer der Abstand zur Welle 2d ist desto größer ist das mittels Luftstrahl 3c auf die Welle 2d ausgeübte Drehmoment.
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Der aus der Leitung 3a austretende Luftstrahl 3c trifft das Laufrad 2b auf einem äußeren Umfang, an welchem die Laufschaufeln des Laufrades 2b schraubenförmig ausgebildet und quer zur Welle 2d geneigt sind, so dass der seitlich auftreffende Luftstrahl 3c einen hohen Impuls auf die Schaufeln überträgt.
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Die Dosiereinrichtung 3 ist mit einem Druckluftbehältnis 6 ausgestattet, welches die zusätzliche Luft bevorratet und die Leitung 3a via Versorgungsleitung 7 mit Druckluft versorgt. Die Leitung 3a der Dosiereinrichtung 3 ist mit dem Druckluftbehältnis 6 durch Öffnen eines in der Versorgungsleitung 7 vorgesehenen Absperrelements 7a verbindbar. Der Druck dient auch als treibende Kraft zum Einbringen der Luft in das Ansaugsystem 10.
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Zwecks Befüllen mit Luft ist das Druckluftbehältnis 6 via Befüllungsleitung 8 mit dem Abgasabführsystem 9 verbindbar, wozu ein Absperrelement 8a betätigt wird. Die Befüllungsleitung 8 mündet stromabwärts der Turbine 2e unter Ausbildung eines Knotenpunktes 8b in das Abgasabführsystem 9.
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Als Absperrelement 8a dient eine verschwenkbare Klappe 8a', die am Knotenpunkt 8b angeordnet ist und die Befüllungsleitung 8 zwecks Befüllung des Druckluftbehältnisses 6 freigibt oder versperrt.
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Befindet sich die Brennkraftmaschine 1 beispielsweise im Schubbetrieb oder im Bremsbetrieb, d. h. im unbefeuerten Betrieb, lässt sich das Druckluftbehältnis 6 via Abgasabführsystem 9 bei geöffneter Klappe 8a', wie in 1b dargestellt, mit Luft befüllen, wobei die Brennkraftmaschine 1 selbst als Luftpumpe betrieben wird.
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Die Klappe 8a' versperrt in der dargestellten Ruheposition gemäß 1a die Befüllungsleitung 8 und gibt das Abgasabführsystem 9 frei. In der in 1b dargestellten Arbeitsposition gibt die verschwenkte offene Klappe 8a' hingegen die Befüllungsleitung 8 zum Befüllen des Behältnisses 6 mit Luft frei und versperrt das Abgasabführsystem 9 stromabwärts des Knotenpunktes 8b. Die im unbefeuerten Betrieb von der Brennkraftmaschine 1 geförderte Luft kann dadurch nur in das Druckluftbehältnis 6 gelangen und nicht via Abgasabführsystem 9 entweichen.
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Zwischen dem Knotenpunkt 8b und dem Druckluftbehältnis 6 ist ein Rückschlagventil 14 vorgesehen, so dass zwar Luft in das Druckluftbehältnis 6 eingebracht werden kann, aber die eingebrachte Luft nicht wieder entweicht.
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Stromaufwärts der Dosiereinrichtung 3 ist ein Luftfilter 4 im Ansaugsystem 10 angeordnet, der die via Ansaugsystem 10 angesaugte Luft reinigt. Stromabwärts des Verdichters 2a ist ein Ladeluftkühler 11 im Ansaugsystem 10 vorgesehen und stromabwärts dieses Ladeluftkühlers 11 eine Drossel 12 platziert.
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Ein Luftmassensensor 5 ist stromabwärts des Verdichters 2a und damit stromabwärts der Dosiereinrichtung 3 im Ansaugsystem 10 angeordnet und zwar zwischen dem Verdichter 2a und dem Ladeluftkühler 11. Der Luftmassensensor 5 erfasst damit die gesamte den Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Luftmenge, d. h. auch die mittels Dosiereinrichtung 3 zusätzlich via Leitung 3a eingebrachte Luftmenge.
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2 zeigt in einem Diagramm den Aufbau des Drehmoments T bei steigender Lastanforderung über der Zeit t, wobei die Kurve A den Drehmomentaufbau ohne das Einbringen zusätzlicher Luft zeigt und Kurve B den Drehmomentaufbau, wenn mittels Dosiereinrichtung zusätzliche Luft eingebracht wird. Deutlich zu erkennen ist, dass ohne zusätzliche Luft ein Drehmomentabfall (Kurve A) zu beobachten ist, während das Einbringen von zusätzlicher Luft für einen stetigen Drehmomentanstieg bzw. Drehmomentaufbau (Kurve B) sorgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Abgasturbolader
- 2a
- Verdichter
- 2b
- Laufrad
- 2c
- Verdichtergehäuse, Gehäuse
- 2d
- Welle
- 2e
- Turbine
- 3
- Dosiereinrichtung
- 3a
- Leitung
- 3b
- Austrittsöffnung
- 3c
- virtuelle Verlängerung einer Leitung, Luftstrahl
- 4
- Luftfilter
- 5
- Luftmassensensor
- 6
- Druckluftbehältnis
- 7
- Versorgungsleitung
- 7a
- Absperrelement
- 8
- Befüllungsleitung
- 8a
- Absperrelement
- 8a'
- verschwenkbare Klappe
- 8b
- Knotenpunkt
- 8c
- Aktuator
- 9
- Abgasabführsystem
- 10
- Ansaugsystem
- 11
- Ladeluftkühler
- 12
- Drossel
- 13
- Bypassleitung, Waste-Gate
- 13a
- Aktuator des Waste-Gate
- 14
- Rückschlagventil
