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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.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben 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 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 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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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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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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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 das Einblasen kühler Luft im Abgasabführsystem und vor allem in der Turbine zu hohen Temperaturgradienten führt, wodurch thermische Spannungen hervorgerufen werden können, die die Festigkeit bzw. Haltbarkeit der Turbine gefährden. Zudem ist das Ansprechverhalten nach wie vor unbefriedigend. Da auslassseitig Maßnahmen ergriffen werden, um einlassseitig vorteilhafte Effekte zu erzielen, ist eine spürbare Verzögerung in Kauf zu nehmen.
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Darüber hinaus eignet sich die vorstehend beschriebene Vorgehensweise, nämlich das Einbringen von Luft in das Abgasabführsystem, nur für Dieselmotoren, die überstöchiometrisch betrieben werden, deren Abgas von Hause aus einen Luft- bzw. Sauerstoffüberschuss aufweist und deren Abgasnachbehandlung darauf ausgelegt ist, Abgas aus einer überstöchiometrischen Verbrennung zu behandeln.
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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 und hinsichtlich der Drehmomentcharakteristik verbessert ist.
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Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben 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 die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- - stromaufwärts des mindestens einen Laufrades mindestens eine Leitung zum Zuführen zusätzlicher Luft unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
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Erfindungsgemäß kann stromaufwärts des Verdichters des mindestens einen Abgasturboladers zusätzlich Luft in das Ansaugsystem eingebracht werden. Das einlassseitige Einbringen von zusätzlicher Luft via einer dafür vorgesehenen Leitung kann unterschiedlichen Zwecken dienen bzw. verschiedene vorteilhafte Effekte mit sich bringen.
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Insbesondere lässt sich die Welle des Abgasturboladers bzw. des Verdichters durch Einbringen von Luft beschleunigen, wobei im Rahmen des Beschleunigungsvorganges zumindest zeitweise ein positives Druckgefälle über das mindestens eine Laufrad des Verdichters aufgebaut wird. Der Druck stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades ist dann größer als der Druck stromabwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, so dass der Verdichter kurzzeitig wie eine Turbine betrieben wird, d. h. im Turbinenmodus angetrieben wird.
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Das Einbringen zusätzlicher Luft als solches erhöht zudem 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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Das Einbringen von zusätzlicher Luft kann auch dazu dienen, die Welle des Abgasturboladers bzw. des Verdichters 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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Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Einbringen zusätzlicher Luft, nämlich das einlassseitige Einbringen von 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 erfindungsgemäß nicht in das Abgasabführsystem, sondern vielmehr in das Ansaugsystem. Insofern muss auf eine etwaige Abgasnachbehandlung keine Rücksicht genommen werden.
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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 und hinsichtlich der Drehmomentcharakteristik verbessert ist.
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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 die mindestens eine Leitung mit einem Druckluftbehältnis zumindest verbindbar ist; beispielsweise durch Öffnen eines Absperrelements mit dem Druckluftbehältnis verbunden werden kann.
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Es ist ein Reservoir vorgesehen, in dem die zusätzliche Luft bevorratet wird. Vorzugsweise steht die im Behältnis befindliche Luft unter Druck. Dann kann der Druck auch als treibende Kraft zum Einbringen der Luft in das Ansaugsystem dienen bzw. verwendet werden. Je höher der Druck ist desto größer ist das treibende Druckgefälle zwischen dem Behältnis und dem Ansaugsystem und desto mehr Luft kann in dem Behältnis bevorratet bzw. je kleiner kann das Behältnis dimensioniert werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Leitung mit einem Gebläse zur Förderung von Luft ausgestattet ist.
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Anstelle eines Druckluftbehältnisses kann auch ein Gebläse vorgesehen werden, um zusätzlich Luft aus der Umgebung anzusaugen bzw. fördern.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die mindestens eine Leitung mit einem Absperrelement ausgestattet ist.
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Das Absperrelement kann dazu dienen, die Leitung zu versperren bzw. freizugeben. Unter Verwendung des Absperrelements kann die mindestens eine Leitung beispielsweise mit einem vorgesehenen Druckluftbehältnis verbunden werden.
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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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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Luftfilter stromaufwärts des Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist. Vorliegend 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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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen ein Absperrelement stromaufwärts des Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist. Dieses Absperrelement soll ein Rückströmen verhindern. Die zusätzlich in das Ansaugsystem eingebrachte Luft soll ausgehend vom Knotenpunkt stromabwärts in Richtung des Verdichters strömen, damit die erfindungsgemäß anvisierten Effekte erzielt werden bzw. eintreten, und nicht stromaufwärts gegebenenfalls in einen dort vorgesehenen Luftfilter gelangen.
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Stromaufwärts des Verdichters muss sich ein Druck aufbauen können, damit sich über das mindestens eine Verdichterlaufrad hinweg ein positives Druckgefälle einstellen kann.
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Aus den vorstehend genannten Gründen sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen das Absperrelement zwischen dem Knotenpunkt und dem Luftfilter angeordnet ist.
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Vorteilhaft sind im vorstehenden Zusammenhang auch 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 stromaufwärts des mindestens einen Laufrades eine verstellbare Leiteinrichtung angeordnet ist, die mittels Verstelleinrichtung verdrehbare Leitschaufeln umfasst.
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Die Leiteinrichtung dient der Beeinflussung der Anströmung des mindestens einen Verdichterlaufrades und kann der Ladeluftströmung beispielsweise einen Drall aufzwingen, d. h. eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Welle des Verdichters bzw. in Umfangsrichtung.
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So lässt sich insbesondere bei kleinen Ladeluftmengen auf die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades in vorteilhafter Weise Einfluss nehmen und auf diese Weise das Aufladeverhalten der Brennkraftmaschine verbessern.
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Vorteilhafterweise weist die in den Verdichter eintretende Ladeluftströmung eine zum Laufrad bzw. zur Welle des Verdichters tangential bzw. radial ausgerichtete Geschwindigkeitskomponente auf. Die Anströmung des mindestens einen rotierenden Laufrades wird dadurch in entscheidender Weise verbessert, denn die Absolutgeschwindigkeit der Ladeluftanströmung wird gegenüber der Welle des Verdichters in der Art gedreht, dass sich in Kombination mit der Umfangsgeschwindigkeit des mindestens einen rotierenden Laufrades eine verbesserte verwertbare relative Anströmgeschwindigkeit der Ladeluft relativ zu den rotierenden Laufschaufeln ergibt bzw. einstellt.
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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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Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Luftmassensensor stromabwärts des Knotenpunktes 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 zwischen dem Knotenpunkt und dem Verdichter angeordnet ist.
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Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Luftmassensensor stromabwärts des Verdichters 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.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Ladeluftkühler und der Luftfilter als vormontierbare Baugruppe bzw. vormontierte Baugruppe ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Montage und senkt somit die Montagekosten und damit die Herstellungskosten.
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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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Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass unter Verwendung der mindestens einen Leitung zusätzlich Luft in das Ansaugsystem eingebracht wird, um die Welle des Verdichters zu beschleunigen.
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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 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 Figur 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 schematisch in einem Halbschnitt entlang der Drehachse des Abgasturboladers einen Abschnitt des Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch in einem Halbschnitt entlang der Drehachse 2d des Abgasturboladers 2 einen Abschnitt des Ansaugsystems 1 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader 2 vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2a umfasst. Der Verdichter 2a ist ein Radialverdichter, in dessen Gehäuse 2c ein auf einer drehbaren Welle 2d gelagertes Laufrad 2b umläuft. Die Welle 2d des Laufrades 2b liegt in der Zeichenebene der 1 und verläuft horizontal.
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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 1 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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Stromaufwärts des Laufrads 2b ist eine verstellbare Leiteinrichtung 6 angeordnet. Die Leiteinrichtung 6 dient der Beeinflussung der Anströmung des Verdichterlaufrades 2b und kann der Ladeluftströmung beispielsweise einen Drall aufzwingen.
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Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Leitung 3 zum Zuführen zusätzlicher Luft ausgestattet, welche stromaufwärts des Verdichters 2a unter Ausbildung eines Knotenpunktes 3a in das Ansaugsystem 1 mündet. Der Knotenpunkt 3a ist beabstandet zum Verdichter 2a und stromaufwärts der Leiteinrichtung 6 angeordnet.
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Die Leitung 3 ist mit einem Absperrelement 3b ausgestattet und durch Öffnen dieses Absperrelementes 3b mit einem Druckluftbehältnis (nicht dargestellt) verbindbar. Der im Behältnis herrschende Druck dient als treibende Kraft zum Einbringen der zusätzlichen Luft.
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Stromabwärts des Knotenpunktes 3a ist ein Luftmassensensor 5 im Ansaugsystem 1 angeordnet, der die gesamte den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge messtechnisch erfasst, d. h. auch die zusätzlich via Leitung 3 eingebrachte Luftmenge.
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Stromaufwärts des Knotenpunktes 3a ist ein Luftfilter 4 im Ansaugsystem 1 angeordnet, der die via Ansaugsystem 1 angesaugte Luft reinigt.
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Zwischen dem Knotenpunkt 3a und dem Luftfilter 4 ist ein Absperrelement 7 angeordnet, welches ein Rückströmen von Luft verhindern soll und sicherstellt, dass sich stromaufwärts des Verdichters 2a ein Überdruck aufbauen kann, so dass sich über das Verdichterlaufrad 2b hinweg ein positives Druckgefälle einstellt, wenn zusätzlich Luft via Leitung 3 in das Ansaugsystem 1 eingebracht wird.
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Das Absperrelement 7 ist vorliegend ein passives, d. h. selbsttätig steuerndes Absperrelement 7a, das selbsttätig schließt, sobald ein Rückströmen einsetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ansaugsystem
- 2
- Abgasturbolader
- 2a
- Verdichter
- 2b
- Laufrad
- 2c
- Verdichtergehäuse, Gehäuse
- 2d
- Welle
- 3
- Leitung
- 3a
- Knotenpunkt
- 3b
- Absperrelement
- 4
- Luftfilter
- 5
- Luftmassensensor
- 6
- Leiteinrichtung
- 7
- Absperrelement
- 7a
- passives Absperrelement
