DE102019008353A1

DE102019008353A1 - Aufladbare Brennkraftmaschine mit Verdichter und Abgasrückführung

Info

Publication number: DE102019008353A1
Application number: DE102019008353.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kemmerling; Frank Wunderlich; Michael Forsting; Vanco Smiljanovski; Hanno Friederichs; Helmut Kindl; Andreas Kuske; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-12-02
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit- einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft,- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,- mindestens einem in einer Ansaugleitung (1a) des Ansaugsystems (1) angeordneten Verdichter (2), der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und- einer Abgasrückführung (3) umfassend eine Rückfuhrleitung (3a), die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes (3b) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei der Knotenpunkt (3b) in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist.Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Abgasrückführung (3) verbessert ist.Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1) der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass- die Ansaugleitung (1a) stromaufwärts des Verdichters (2) eine Biegung (4) um einen Winkel y aufweist und dabei eine konvexe Außenseite (4a) und eine konkave Innenseite (4b) ausbildet, wobei der Knotenpunkt (3b) auf der Seite der Ansaugleitung (1a) platziert ist, auf der die konkave Innenseite (4b) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- mindestens einem in einer Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei der Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, 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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 2.5Dv ≤ Δ ≤ 5.0Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 1.5Dv, < Δ ≤ 2.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 0.5Dv ≤ Δ ≤ 1.5Dv. wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen. der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ < 0.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Die folgenden Ausführungsformen definieren die Biegung der Ansaugleitung näher und dies unter Verwendung eines Winkels y, der angibt, um welchen Winkel y die Ladeluftströmung beim Durchströmen der Biegung umgelenkt wird. Die Ansaugleitung kann in Abhängigkeit von der Kompaktheit und dem Konzept der jeweiligen kleinvolumigen Brennkraftmaschine mehr oder weniger stark gebogen sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel y gilt: y ≥ 20°.
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. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
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 sowohl ein mittels Hilfsantrieb antreibbarer Lader als auch ein Verdichter eines Abgasturboladers subsumiert werden können.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind vielfältige Maßnahmen erforderlich.
Die Abgasrückführung dient der Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR / (m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Eventuell via Abgasrückführung rückgeführter Sauerstoff bzw. rückgeführte Luft ist zu berücksichtigen.
Auch die erfindungsgemäße mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, wobei die vom Abgasabführsystem abzweigende Rückführleitung unter Ausbildung eines Knotenpunktes stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, so wie dies regelmäßig 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.
Probleme können sich bei zugeschalteter Abgasrückführung ergeben, wenn Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird.
Die vorstehend beschriebene Problematik 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. Im Einzelfall wird die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern.
Die vorstehend beschriebene Niederdruck-AGR kann mit einer Hochdruck-AGR kombiniert werden.
Schwierigkeiten bereitet es bei der Abgasrückführung auch, insbesondere bei einer Niederdruck-AGR, das für die Realisierung hoher Rückführraten erforderliche Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem bereitzustellen, weshalb regelmäßig zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Nach dem Stand der Technik wird daher ein Absperrelement im Abgasabführsystem vorgesehen, um das Abgas zu stauen und den Abgasdruck zu erhöhen, und/oder ein Absperrelement im Ansaugsystem vorgesehen, um einlassseitig den Druck zu senken. Beide Maßnahmen sind energetisch eher nachteilig.
Insbesondere eine einlassseitige Drosselung der Ladeluft muss mit Blick auf die Aufladung der Brennkraftmaschine als nachteilig angesehen werden.
Ein weiteres Problem der Rückführung von Abgas in das Ansaugsystem stromaufwärts eines Verdichters besteht darin, dass beim Einleiten des Abgases in die Frischluft Turbulenzen entstehen und die Anströmung des Verdichters erheblich gestört wird. Dies beeinflusst den Wirkungsgrad des Verdichters sowie das Pumpverhalten nachteilig, weshalb die Einleitung des Abgases in das Ansaugsystem nach dem Stand der Technik ausreichend weit beabstandet zum Verdichter vorgenommen wird. Eine geradlinige, d.h. krümmungsfreie Ausbildung des Ansaugsystems stromaufwärts des Verdichters mindert die nachteiligen strömungstechnischen Effekte, die durch das Einleiten von rückgeführtem Abgas hervorgerufen werden.
Sowohl das Einleiten des Abgases weit beabstandet zum Verdichter als auch das geradlinige Ausbilden des Ansaugsystems stromaufwärts des Verdichters lässt sich bei kompakten kleinvolumigen Brennkraftmaschinen nicht realisieren, weshalb andere Konzepte erforderlich sind, um die nachteiligen strömungstechnischen Effekte, die durch das Einleiten von rückgeführtem Abgas in das Ansaugsystem hervorgerufen werden, zu mindern.
Zu berücksichtigen ist in diesem Zusammenhang, dass die Bedeutung bzw. der Marktanteil kleinvolumiger Brennkraftmaschinen zunimmt, weshalb die Lösung der beschriebenen Problematik eine hohe Relevanz hat.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Abgasrückführung verbessert ist.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

- einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- mindestens einem in einer Ansaugleitung des Ansaugsystems angeordneten Verdichter, der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückfuhrleitung, die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, wobei der Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- die Ansaugleitung stromaufwärts des Verdichters eine Biegung um einen Winkel y aufweist und dabei eine konvexe Außenseite und eine konkave Innenseite ausbildet, wobei der Knotenpunkt auf der Seite der Ansaugleitung platziert ist, auf der die konkave Innenseite ausgebildet ist.

Die Ansaugleitung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weist stromaufwärts des Verdichters eine Biegung auf; wie dies bei kleinvolumigen Brennkraftmaschinen regelmäßig anzutreffen ist. Damit liegt keine ausreichend lange geradlinige Ausbildung des Ansaugsystems stromaufwärts des Verdichters vor, die hinsichtlich der Rückführung von Abgas vorzuziehen wäre. Das Abgas weit beabstandet zum Verdichter einzuleiten, ist vorliegend ebenfalls keine Option.
Um die nachteiligen strömungstechnischen Effekte, die durch das Einleiten von rückgeführtem Abgas in das Ansaugsystem hervorgerufen werden, zu mindern, nutzt das erfindungsgemäße Konzept den Umstand, dass die Ladeluft sich beim Durchströmen der Biegung von der konkaven Innenseite ablöst.
Mit dem Ablösen der Ladeluftströmung von der Innenseite der Biegung geht eine Einschnürung und Beschleunigung der Ladeluftströmung einher, die mit einem Druckabfall verbunden ist.
Stromabwärts der Ablösung fungiert die beschleunigte Ladeluftströmung wie das Treibmedium einer Strahlpumpe und reißt das rückzuführende Abgas infolge Impulsübertragung mit. Da das Abgas von der Ladeluftströmung beschleunigt wird, fällt der statische Druck im Abgas ab. Der Druckabfall führt zu einer Saugwirkung, wodurch weiteres Abgas aus der Rückführleitung in das Ansaugsystem gefördert, d.h. zurückgeführt wird. Auf diese Weise können höhere Rückführraten realisiert werden, d.h. größere Abgasmengen zurückgeführt werden.
Das Mischen der Ladeluft mit dem Abgas wird dadurch begünstigt und unterstützt, dass sich die Ladeluftströmung beim Mitreißen des Abgases verlangsamt und der statische Druck wieder zunimmt, wodurch sich der Ladeluftstrahl aufweitet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Ansaugleitung zwischen dem mindestens einem Laufrad des Verdichters und der Biegung geradlinig ausgebildet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Abgasrückführung verbessert ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen. Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Die folgenden Ausführungsformen definieren die Nähe bzw. den Abstand Δ des Knotenpunktes zu dem mindestens einen Laufrad des Verdichters. In Abhängigkeit von der Kompaktheit der jeweiligen kleinvolumigen Brennkraftmaschine ist der Knotenpunkt mehr oder weniger nahe am Verdichter platziert. Gleiches gilt in analoger Weise auch für die Biegung, die ebenfalls in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines - bei kleinvolumigen Brennkraftmaschinen regelmäßig kurzen - Abstandes ausgebildet und angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 2.5Dv ≤ Δ ≤ 5.0Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 1.5Dv < Δ ≤ 2.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: 0.5Dv < Δ ≤ 1.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ < 0.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Die folgenden Ausführungsformen definieren die Biegung der Ansaugleitung näher und dies unter Verwendung eines Winkels y, der angibt, um welchen Winkel y die Ladeluftströmung beim Durchströmen der Biegung umgelenkt wird. Die Ansaugleitung kann in Abhängigkeit von der Kompaktheit und dem Konzept der jeweiligen kleinvolumigen Brennkraftmaschine mehr oder weniger stark gebogen sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≥ 20°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≥ 35°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≥ 45°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen für den Winkel γ gilt: γ ≥ 60°.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt zwischen dem mindestens einen Laufrad und der Biegung angeordnet ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Knotenpunkt in der Biegung angeordnet ist.
Die Anordnung des Knotenpunktes relativ zur Biegung hängt auch vom Winkel y ab, um den die Ladeluftströmung beim Durchströmen der Biegung umgelenkt wird. Der Winkel y hat nämlich Einfluss darauf, an welcher Stelle der Biegung sich die Ladeluftströmung von der Innenseite ablöst. Insofern muss der Winkel y berücksichtigt werden bei der Platzierung des Knotenpunktes, an dem die Rückführleitung in die Ansaugleitung mündet und der Strahlpumpeffekt für die Förderung des Abgases am effektivsten genutzt werden kann.
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.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, 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 vorzugsweise 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.
Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen stromabwärts der Abzweigung der Rückfuhrleitung ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts des Absperrelements im Abgasabführsystem zu steigern, und damit für eine Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem genutzt werden. Dies unterstützt die Realisierung hoher Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.
Vorteilhaft können im Einzelfall Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen stromaufwärts des Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit - wie das erste Absperrelement - zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang aber insbesondere Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen weder ein erstes noch ein zweites Absperrelement vorgesehen ist. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Strahlpumpeneffekt zur Förderung des rückzuführenden Abgases genutzt wird, kann auf Absperrelemente grundsätzlich verzichtet werden oder ihr Einsatz hinsichtlich Effizienz reduziert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie kann in einem weiten Drehzahl- bzw. Lastbereich eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung realisiert werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Ansaugleitung ein Leitelement platziert ist, welches die Ladeluft und das rückgeführte Abgas am Knotenpunkt zumindest abschnittsweise separiert.
Vorliegend trennt ein Leitelement das Abgas und die Ladeluft bzw. Frischluft am Knotenpunkt für eine gewisse Strecke. Das Leitelement, welches vorzugsweise beweglich und zungenartig ausgebildet ist, dient dazu, den Strahlpumpeneffekt zu verstärken, so dass rückzuführendes Abgas noch effektiver in das Ansaugsystem hinein gefördert werden kann.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Leitelement bogenförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das bogenförmige Leitelement und die Biegung in gleicher Weise orientiert sind. Die Gestalt des Leitelementes greift dann die Strömungsführung der Ladeluft infolge Biegung auf.
Falls ein Leitelement vorgesehen wird, sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen das Leitelement stromaufwärts des Knotenpunktes verschwenkbar gelagert ist. Diese Ausführungsform gestattet ein Verstellen des Leitelementes und damit eine Anpassung an verschieden große Abgasmengen, die mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsverhältnissen einhergehen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Leitelement nahe eines Wandabschnitts des Ansaugsystems verschwenkbar gelagert ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen im Ansaugsystem stromabwärts des mindestens einen Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1a schematisch ein Fragment eines Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, und
1b schematisch ein Fragment eines Ansaugsystems einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.

1a zeigt schematisch ein Fragment eines Ansaugsystems 1 einer ersten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Das Ansaugsystem 1 dient dem Zuführen von Ladeluft zu den Zylindern der Brennkraftmaschine. In der Ansaugleitung 1a des Ansaugsystems 1 ist ein Verdichter 2 angeordnet, der ein in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad umfasst und der Aufladung der Brennkraftmaschine dient.
Des Weiteren ist die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung 3 ausgestattet. Eine Rückführleitung 3a der Abgasrückführung 3, die vom Abgasabführsystem abzweigt, mündet stromaufwärts des Verdichters 2, d.h. des Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes 3b in das Ansaugsystem 1. Dabei ist der Knotenpunkt 3b in der Nähe des Laufrades angeordnet. Vorliegend beträgt der Abstand Δ zum Laufrad weniger als 1.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des Laufrades angibt.
Die Ansaugleitung 1a stromaufwärts des Verdichters 2 weist eine Biegung 4 um einen Winkel y auf und bildet dabei eine konvexe Außenseite 4a und eine konkave Innenseite 4b aus. Der Knotenpunkt 3b ist zwischen dem Laufrad und der Biegung 4 angeordnet und auf der Seite der Ansaugleitung 1a platziert, auf der die konkave Innenseite 4b der Biegung 4 ausgebildet wird. Letzteres gestattet es, den Strahlpumpeneffekt zur Förderung des rückzuführenden Abgases zu nutzen.
Die Ladeluft löst sich nämlich beim Durchströmen der Biegung 4 von der konkaven Innenseite 4b ab, wodurch die Ladeluftströmung eingeschnürt und beschleunigt wird. Der statische Druck in der Ladeluft fällt ab.
Stromabwärts der Ablösung fungiert die beschleunigte Ladeluftströmung als Treibmedium für das rückzuführende Abgas, welches infolge Impulsübertragung mitgerissen, d.h. beschleunigt und damit gefördert wird. In dem beschleunigten Abgas fällt der statische Druck ab, wodurch die Förderung unterstützt wird, da eine Saugwirkung entsteht. Auf diese Weise können höhere Rückführraten realisiert werden, d.h. größere Abgasmengen zurückgeführt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein zungenartiges Leitelement 5 in der Ansaugleitung 1a platziert, welches die Ladeluft und das rückgeführte Abgas am Knotenpunkt 3b abschnittsweise separiert.
Das bogenförmige Leitelement 5 ist in gleicher Weise orientiert wie die Biegung 4 und greift damit die Strömungsführung der Ladeluft infolge Biegung 4 auf. Das Leitelement 5 dient dazu, den Strahlpumpeneffekt zu verstärken, so dass das Abgas der Brennkraftmaschine noch effektiver zurückgeführt und in das Ansaugsystem 1 hinein gefördert werden kann.
Vorliegend ist das Leitelement 4 verschwenkbar gelagert, wobei die Lagerung 5a des Leitelementes 5 stromaufwärts des Knotenpunktes 3b nahe eines Wandabschnitts 1b des Ansaugsystems 1 angeordnet ist. Dies gestattet ein Verstellen des Leitelementes 5 und damit eine Anpassung an unterschiedlich große Abgasmengen, unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und sich ändernde Strömungsverhältnisse im Ansaugsystem 1.
1b zeigt schematisch ein Fragment eines Ansaugsystems 1 einer zweiten Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine. Im Unterschied zu 1a ist die in 1b dargestellte Ausführungsform nicht mit einem Leitelement ausgestattet.
Bezugszeichenliste

1: Ansaugsystem
1a: Ansaugleitung
1b: Wandabschnitt des Ansaugsystems
2: Verdichter
3: Abgasrückführung
3a: Rückführleitung
3b: Knotenpunkt
4: Biegung
4a: konvexe Außenseite
4b: konkave Innenseite
5: Leitelement
5a: Lagerung des Leitelementes
Δ: Abstand des Knotenpunktes zum Laufrad
AGR: Abgasrückführung
γ: Winkel der Biegung
Dv: Durchmesser des mindestens einen Laufrades
mAGR: Masse an zurückgeführtem Abgas
mFrischluft: Masse an zugeführter Frischluft
xAGR: Abgasrückführrate

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit - einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft, - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas, - mindestens einem in einer Ansaugleitung (1a) des Ansaugsystems (1) angeordneten Verdichter (2), der mit mindestens einem in einem Gehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und - einer Abgasrückführung (3) umfassend eine Rückführleitung (3a), die vom Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Knotenpunktes (3b) in das Ansaugsystem (1) mündet, wobei der Knotenpunkt (3b) in der Nähe des mindestens einen Laufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ansaugleitung (1a) stromaufwärts des Verdichters (2) eine Biegung (4) um einen Winkel y aufweist und dabei eine konvexe Außenseite (4a) und eine konkave Innenseite (4b) ausbildet, wobei der Knotenpunkt (3b) auf der Seite der Ansaugleitung (1a) platziert ist, auf der die konkave Innenseite (4b) ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: 2.5Dv ≤ Δ ≤ 5.0Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: 1.5Dv < Δ ≤ 2.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: 0.5Dv < Δ ≤ 1.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand Δ gilt: Δ < 0.5Dv, wobei Dv den Durchmesser des mindestens einen Laufrades angibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ gilt: γ ≥ 20°.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ gilt: γ > 35°.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ gilt: γ ≥ 45°.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ gilt: γ ≥ 60°.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (3b) zwischen dem mindestens einen Laufrad und der Biegung (4) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Knotenpunkt (3b) in der Biegung (4) angeordnet ist.
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 (2) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (2) der Verdichter (2) des mindestens einen Abgasturboladers ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (3a) stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers vom Abgasabführsystem abzweigt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (1a) ein Leitelement (5) platziert ist, welches die Ladeluft und das rückgeführte Abgas am Knotenpunkt (3b) zumindest abschnittsweise separiert.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (5) bogenförmig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das bogenförmige Leitelement (5) und die Biegung (4) in gleicher Weise orientiert sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (5) stromaufwärts des Knotenpunktes (3b) verschwenkbar gelagert ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitelement (5) nahe eines Wandabschnitts (1b) des Ansaugsystems (1) verschwenkbar gelagert ist.