DE102018219451A1

DE102018219451A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung und Verfahren zur Herstellung des Verdichtergehäuses einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018219451A1
Application number: DE102018219451.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuske; Christian Winge Vigild; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-14
Also published as: CN111188705A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem (1), einem Abgasabführsystem, mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2), einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (2) unter Ausbildung eines Knotenpunktes (5) in das Ansaugsystem (1) mündet, und einer am Knotenpunkt (5) angeordneten Ventileinheit (3), die eine Klappe (4) umfasst, welche um eine quer zur Welle des mindestens einen Verdichters (2) verlaufende Drehachse verschwenkbar ist, in einer ersten Endposition das Ansaugsystem (1) versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem (1) freigibt.Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, bei der die Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades verringert ist bzw. erschwert wird.Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine, bei der das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) ein monolithisches Bauteil bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die Klappe um eine quer zur Welle des mindestens einen Verdichters verlaufende Drehachse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer abgasseitigen Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verdichtergehäuses einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu aufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die wirtschaftliche Bedeutung dieser Motoren für die Automobilbauindustrie weiter ständig zunimmt.
Die Aufladung ist in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse 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 verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, 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.
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 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 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, die auch das Packaging im Motorraum beeinflusst.
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 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.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über einen Verdichter, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter den Begriff Verdichter grundsätzlich sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines Abgasturboladers subsumiert werden können.
Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nicht nur Vorteile beim Kraftstoffverbrauch, d.h. dem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine, sondern auch 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 ohnehin ab.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere Maßnahmen erforderlich. 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.
Auch die erfindungsgemäße mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit mindestens einer Abgasrückführung ausgestattet, wobei die vom Abgasabführsystem abzweigende Rückführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, so wie dies bei einer Niederdruck-AGR der Fall ist, bei der Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt wird, welches eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und vorzugsweise stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt des Weiteren über eine Ventileinheit, die im Ansaugsystem an dem Knotenpunkt angeordnet ist. Die Ventileinheit umfasst ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe.
Die Klappe dient der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Frischluftmenge und im Zusammenwirken mit anderen Komponenten der Dosierung der via Abgasrückführung rückgeführten Abgasmenge und ist um eine quer zur Verdichterwelle verlaufenden Achse in der Art verschwenkbar, dass in einer ersten Endposition die Vorderseite der Klappe das Ansaugsystem versperrt und gleichzeitig die Rückführleitung freigegeben wird und in einer zweiten Endposition die Rückseite der Klappe die Rückführleitung verdeckt und gleichzeitig das Ansaugsystem freigegeben wird. Im vorstehenden Sinne bedeuten sowohl Versperren als auch Verdecken nicht zwingend auch Verschließen bzw. vollständiges Versperren und Verdecken.
Die quer zur Verdichterwelle verlaufende Achse, um welche die Klappe verschwenkbar ist, muss keine gegenständliche Achse sein. Vielmehr kann diese Achse eine virtuelle Achse sein, deren Lage in Bezug auf das Ventilgehäuse bzw. das übrige Ansaugsystem zudem ein kleines Spiel aufweisen kann, wobei die Lagerung bzw. Befestigung auf andere Weise erfolgt.
Probleme können sich bei zugeschalteter Abgasrückführung ergeben, wenn Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien von Relevanz.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d.h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass das Abgas bei zugeschalteter Abgasrückführung regelmäßig die Klappe umströmt bzw. umspült und eine Mischung von Abgas und Frischluft bereits im Ventilgehäuse unmittelbar bei Einleitung des Abgases am Knotenpunkt erfolgt.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Ventilgehäuses bzw. die Klappe trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.
Die Problematik der Kondensatbildung verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.
Aus diesem Grund wird die Ventileinheit bzw. der Knotenpunkt vorzugsweise möglichst nahe am Verdichter platziert, d.h. in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines möglichst kurzen Abstandes Δ angeordnet. Eine verdichternahe Anordnung der Ventileinheit verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem am Knotenpunkt bis hin zu dem mindestens einen Laufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch also entgegengewirkt.
Konstruktiv wird das vorstehende Konzept regelmäßig dadurch umgesetzt, dass das - auch zum Ansaugsystem gehörende - Ventilgehäuse zwischen dem stromaufwärts gelegenen Ansaugsystem und dem stromabwärts gelegenen Verdichtergehäuse platziert, d.h. montiert wird.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades verringert ist bzw. erschwert wird.
Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung des Verdichtergehäuses einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen einer Ladeluftströmung,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- mindestens einem im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist,
- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
- einer am Knotenpunkt im Ansaugsystem angeordneten Ventileinheit, die ein Ventilgehäuse und eine in dem Ventilgehäuse angeordnete Klappe umfasst, wobei die Klappe um eine quer zur Welle des mindestens einen Verdichters verlaufende Drehachse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite das Ansaugsystem versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer abgasseitigen Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem freigibt,

- das Verdichtergehäuse und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das Verdichtergehäuse und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses ein monolithisches Bauteil bilden.

Erfindungsgemäß ist das Ventilgehäuse zumindest teilweise im Verdichtergehäuse integriert, so dass zumindest ein Teil des Ventilgehäuses mit dem Verdichtergehäuse ein monolithisches Bauteil bildet.
Dieses konstruktive Konzept bzw. Merkmal der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich.
Zum einen wird die Ventileinheit bzw. der Knotenpunkt sehr nahe am Verdichter platziert, d.h. in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines möglichst kurzen Abstandes Δ angeordnet. Die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem am Knotenpunkt bis hin zu dem mindestens einen Laufrad wird dadurch weitestgehend verkürzt. Der Bildung von Kondensattröpfchen steht eine kürzere Wegstrecke und weniger Zeit zu Verfügung, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können. Der Bildung von Kondensattröpfchen wird durch das konstruktive Konzept der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine somit entgegengewirkt.
Zum anderen kann die infolge Kompression erwärmte Ladeluft sowie das dadurch ebenfalls aufgeheizte Verdichtergehäuse als Heizeinrichtung zur Erwärmung des Ventilgehäuses verwendet bzw. genutzt werden, mit der die Temperatur der Innenwandung des Ventilgehäuses insbesondere aufgrund von Wärmeleitung erhöht wird. Mittels Erwärmung kann die Wandtemperatur der Innenwandung des Ventilgehäuses über die Tautemperatur der gasförmigen Komponenten des Abgases bzw. der Ladeluft hinaus angehoben werden. Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.
Mit dem Unterbinden der Bildung von Kondensat im Ventilgehäuse und im Eintrittsbereich des Verdichters entfällt auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen. Die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des mindestens einen Verdichters wird eliminiert. Der Wirkungsgrad des Verdichters wird gesteigert bzw. bleibt von der Abgasrückführung unbeeinflusst.
Eine Begrenzung der rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt ist, dass mit der einteiligen Ausbildung die Anzahl der Bauteile reduziert wird, wodurch nicht nur das Gewicht verringert wird, sondern auch die Montage erleichtert und die Kosten gesenkt werden. Das Vorsehen einer Dichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Verdichtergehäuse zur Ausbildung einer leckagefreien Verbindung entfällt.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine löst die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei der die Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades verringert ist bzw. erschwert wird.
Im Rahmen der Abgasrückführung wird vorzugsweise Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt, das einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Auf diese Weise können Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Drehachse nahe eines Randes, d.h. nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Klappe ähnlich einer Tür seitlich gelagert und verschwenkbar, nämlich an einem ihrer Ränder. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Klappe von mittig gelagerten Absperrelementen bzw. Klappen wie beispielsweise einem Schmetterlingsventil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Drehachse nahe einer Wandung, d.h. nahe eines Wandabschnitts des Ventilgehäuses angeordnet ist. Das Ventilgehäuse übernimmt hinsichtlich der Klappe regelmäßig die Funktion eines Rahmens, d.h. umrahmt die Klappe. Insofern ist eine Ausführungsform, bei der die Drehachse nahe eines Randabschnitts der Klappe angeordnet ist, in der Regel auch eine Ausführungsform, bei der die Drehachse nahe eines Wandabschnitts des Ventilgehäuses angeordnet ist. Der wesentliche Vorteil beider Ausführungsformen ist, dass die Klappe in der zweiten Endposition wandnah positioniert ist, so dass ein vollständig freier Durchgang für die Frischluft geschaffen wird. Die Gefahr, dass die Klappe ungewollt ein Strömungshindernis bildet, wird damit minimiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe in der zweiten Endposition die Wandung des Ventilgehäuses mit ausbildet. In der zweiten Endposition fügt sich die Klappe nahezu nahtlos in die Innenwandung des Ventilgehäuses ein und bildet daher kein Strömungshindernis für die Frischluftströmung, wodurch sich der Ladungswechsel einlassseitig verbessert.
Vorteilhaft ist ein möglichst lückenloser Formschluss der Klappe mit der die Klappe umgebenden Wandung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Radialverdichter ist, so dass die Abströmung der komprimierten Ladeluft aus dem Verdichter im Wesentlichen radial erfolgt.
Anders als bei Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden.
Ein Radialverdichter mit spiralförmig umlaufendem Austrittsbereich eignet sich besonders, um die infolge Kompression erwärmte Ladeluft und das aufgeheizte Verdichtergehäuse zur Erwärmung des Ventilgehäuses zu verwenden.
Ist der mindestens eine Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers wird die Turbine des Abgasturboladers vorzugsweise als Radialturbine ausgebildet. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.
Vorteilhaft können nichtsdestotrotz auch Ausführungsformen sein, bei denen der mindestens eine Verdichter ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.
Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst. Hinsichtlich der vorstehenden Ausführungsform wird Bezug genommen auf die im Zusammenhang mit der Abgasturboaufladung bereits gemachten Ausführungen, insbesondere die herausgestellten Vorteile.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.
Bei Verwendung mindestens eines Abgasturboladers sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen die Rückführleitung gemäß einer Niederdruck-AGR stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt.
Im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas in das Ansaugsystem einleitet und zwar vorzugsweise stromabwärts des Verdichters, 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.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und gegebenenfalls gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft bzw. Verbrennungsluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.
Bei Verwendung mindestens eines Abgasturboladers sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ein Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen der Turbine und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem abzweigt.
Das Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des Knotenpunktes ein Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ein Ventil im Ventilgehäuse vorgesehen ist, welches einen Ventilkörper umfasst, der auf der Rückseite der Klappe angeordnet und mit der Klappe verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, wobei der Ventilkörper die Rückführleitung in der zweiten Endposition der Klappe versperrt.
Ein Verschwenken der Klappe bedingt ein Verstellen bzw. Bewegen des Ventils im Raum. Folglich dient die Klappe als Betätigungseinrichtung für das Ventil. Sämtlichen Varianten der vorstehenden Ausführungsform ist gemein, dass die Klappe nur der Einstellung der via Ansaugsystem zugeführten Luftmenge dient und nicht der Dosierung der rückgeführten Abgasmenge. Letzteres wird mit dem Ventil bewerkstelligt, welches in der Rückführleitung steckt bzw. auf der Einmündung der Rückführleitung aufliegt und als AGR-Ventil dient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt in einem Abstand Δ zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad angeordnet ist, wobei für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.5Dv und D_V den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt.
Eine verdichternahe Anordnung des Knotenpunktes verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem bis hin zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ gilt: Δ ≤ 1.0D_V, vorzugsweise Δ ≤ 0.75D_V.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ gilt: Δ ≤ 45mm, vorzugsweise Δ ≤ 40mm bzw. Δ ≤ 35mm.
Um die Drehmomentcharakteristik der aufgeladenen Brennkraftmaschine zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehr Verdichter bzw. Abgasturbolader vorzusehen, beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Abgasturbolader. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Die Drehmomentcharakteristik 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für das Verdichtergehäuse und das Ventilgehäuse einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das Verdichtergehäuse und das gesamte Ventilgehäuse ein monolithisches Bauteil bilden.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zur Herstellung des Verdichtergehäuses einer Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verdichtergehäuse und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses einteilig ausgebildet werden.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtergehäuse und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses einteilig im Gießverfahren ausgebildet werden.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen ein additives Fertigungsverfahren verwendet wird, um das Verdichtergehäuse und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses schichtweise aufzubauen und damit einteilig auszubilden.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen 3D-Drucken als additives Fertigungsverfahren verwendet wird
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verdichtergehäuse aus Aluminium gefertigt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch und in einer perspektivischen Ansicht den im Ansaugsystem angeordneten Verdichter mitsamt Ventileinheit einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit der Klappe in der zweiten Endposition und mit Blick auf das Verdichterlaufrad.

1a zeigt schematisch und in einer perspektivischen Ansicht den im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 mitsamt Ventileinheit 3 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mit der Klappe 4 in der zweiten Endposition und mit Blick auf das Verdichterlaufrad in Richtung der Ladeluftströmung.
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem 1 und zwecks Aufladung der Zylinder ist ein Abgasturbolader vorgesehen, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine (nicht dargestellt) und einen im Ansaugsystem 1 angeordneten Verdichter 2 umfasst. Der Verdichter 2 ist vorliegend ein Radialverdichter 2' mit einem spiralförmig umlaufenden Austrittsbereich, der über ein in einem Verdichtergehäuse 2a drehbar gelagertes Laufrad verfügt, wobei die Welle des Laufrades aus der Zeichenebene der 1 herausragt. Der Verdichter 2 weist einen Eintrittsbereich auf, der koaxial zur Welle verläuft und ausgebildet ist, so dass das Ansaugsystem 1 stromaufwärts des Verdichters 2 keine Richtungsänderungen aufweist und die Anströmung der Frischluft bzw. Ladeluft zu dem Verdichter 2 und dessen Laufrad im Wesentlichen axial erfolgt.
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung ausgestattet, welche eine Rückführleitung umfasst, die stromaufwärts des Verdichters 2 unter Ausbildung eines Knotenpunktes 5 in das Ansaugsystem 1 mündet.
Am Knotenpunkt 5 ist eine Ventileinheit 3 angeordnet, die ein Ventilgehäuse 3a und eine in dem Ventilgehäuse 3a angeordnete Klappe 4 umfasst.
Das Ventilgehäuse 3a ist vorliegend im Verdichtergehäuse 2a integriert, d.h. das Ventilgehäuse 3a und das Verdichtergehäuse 2a bilden ein monolithisches Bauteil. Dadurch kann der Knotenpunkt 5 sehr nahe am Verdichter 2 platziert, d.h. in der Nähe des Laufrades unter Ausbildung eines möglichst kurzen Abstandes Δ angeordnet werden
Die Klappe 4 ist um eine quer zur Welle verlaufende Drehachse verschwenkbar. 1 zeigt die Klappe 4 in der zweiten Endposition, in der die Rückseite der Klappe 4 die Rückführleitung der Abgasrückführung verdeckt, wohingegen das Ansaugsystem 1 freigegeben wird. Die Klappe 4 fügt sich in der zweiten Endposition nahezu nahtlos in die Innenwandung des Ventilgehäuses 3a ein und stellt kein Strömungshindernis für die Frischluftströmung dar. Vorteilhaft ist ein möglichst stufenloser Formschluss der Vorderseite 4a der Klappe 4 mit der umliegenden Innenwandung des Ventilgehäuses 3a.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
2: Verdichter
2': Radialverdichter
2a: Verdichtergehäuse
3: Ventileinheit
3a: Ventilgehäuse
4: Klappe
4a: Vorderseite der Klappe
5: Knotenpunkt
Δ: Abstand des Knotenpunktes zum Laufrad
AGR: Abgasrückführung
D_V: Durchmesser des mindestens einen Laufrades
m_AGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
m_Frischluft: Masse an zugeführter Frischluft
x_AGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit - einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen einer Ladeluftströmung, - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, - mindestens einem im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2), der mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse (2a) auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes (5) in das Ansaugsystem (1) mündet, und - einer am Knotenpunkt (5) im Ansaugsystem (1) angeordneten Ventileinheit (3), die ein Ventilgehäuse (3a) und eine in dem Ventilgehäuse (3a) angeordnete Klappe (4) umfasst, wobei die Klappe (4) um eine quer zur Welle des mindestens einen Verdichters (2) verlaufende Drehachse in der Art verschwenkbar ist, dass die Klappe (4) in einer ersten Endposition mit einer Vorderseite (4a) das Ansaugsystem (1) versperrt und die Rückführleitung freigibt und in einer zweiten Endposition mit einer abgasseitigen Rückseite die Rückführleitung verdeckt und das Ansaugsystem (1) freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass - das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) ein monolithisches Bauteil bilden.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse nahe eines Randabschnitts der Klappe (4) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse nahe einer Wandung des Ventilgehäuses (3a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (4) in der zweiten Endposition die Wandung des Ventilgehäuses (3a) mit ausbildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (2) ein Radialverdichter (2') ist, so dass die Abströmung der komprimierten Ladeluft aus dem Verdichter (2) im Wesentlichen radial erfolgt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (2) einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters (2) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (2) im Wesentlichen axial erfolgt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (2) der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers ein Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist, wobei die Rückführleitung zwischen der Turbine und dem Absperrelement von dem Abgasabführsystem abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Knotenpunktes (5) ein Absperrelement im Ansaugsystem (1) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge ein Ventil im Ventilgehäuse (3a) vorgesehen ist, welches einen Ventilkörper umfasst, der auf der Rückseite der Klappe (4) angeordnet und mit der Klappe (4) verbunden und auf diese Weise mechanisch gekoppelt ist, wobei der Ventilkörper die Rückführleitung in der zweiten Endposition der Klappe (4) versperrt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (5) in einem Abstand Δ zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad angeordnet ist, wobei für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.5Dv und D_V den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.0D_V.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 0.75D_V.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2a) und das Ventilgehäuse (3a) einteilig in der Art ausgebildet sind, dass das Verdichtergehäuse (2a) und das gesamte Ventilgehäuse (3a) ein monolithisches Bauteil bilden.
Verfahren zur Herstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) einteilig ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) einteilig im Gießverfahren ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein additives Fertigungsverfahren verwendet wird, um das Verdichtergehäuse (2a) und zumindest ein Teil des Ventilgehäuses (3a) schichtweise aufzubauen und damit einteilig auszubilden.