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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Abgasturbineneinrichtung mit wenigstens einer von einem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine antreibbaren Abgasturbine und wenigstens einen von der Abgasturbine angetriebenen Ladeverdichter zum Bereitstellen eines Frischluftmassenstroms für die Aufladung der Brennkraftmaschine.
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Im Zuge der stetigen Optimierungen zur Senkung der gasförmigen Schadstoffemissionen ist eine schnelle Erreichung der lightoff-Temperatur des Katalysators eines der Hauptentwicklungsziele zukünftiger Abgasnachbehandlungssysteme. Nach dem Stand der Technik stellt das Herabsetzen der Wärmeverluste aller Komponenten des Abgassystems vom ersten Katalysator stromaufwärts eine praktizierte und weitestgehend optimierte Lösung dar. Ferner wird bei aufgeladenen Motoren das Vorbeiführen bzw. Bypassieren der Abgasturbine mittels Wastegate-Ventilen dazu genutzt, die Wärmeverluste in der Aufheizphase zu reduzieren. Das Wastegate-Ventil ist üblicherweise jedoch zur Ladedruck-Regelung des Turboladers installiert und wird in solchen Fällen doppelt genutzt.
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Aufgrund der stark unterschiedlichen Enthalpie von angesaugtem Luftmassenstrom und Abgasmassenstrom muss bei hohen Drehzahlen und Lasten ein Teil des Abgasmassenstromes an der Turbine vorbei geleitet werden. Dies geschieht i. d. R. mit regelbaren Wastegate-Klappen, die im Abgasturbolader integriert sind, und wird als Ladedruckregelung bezeichnet. Der unerwünschte Nebeneffekt davon ist, dass das der die Verbrennungskraftmaschine (VKM) verlassende Abgasmassenstrom nun seine Enthalpie nicht mehr an die Turbine abgibt, sondern direkt zum ersten Katalysator gelangt. Darüber hinaus sind aus den o. g. Gründen bei Abgassystemen nach dem Stand der Technik zur Sicherstellung eines möglichst frühen lightoffs, die Katalysatoren sehr motornah bzw. optimiert auf sehr wenig Wärmeverluste ausgeführt.
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Die Folge ist eine sehr hohe thermische Belastung des Katalysators und damit eine beschleunigte chemische Alterung, wodurch dessen Konvertierungsfähigkeit über die Fahrzeuglebensdauer herabgesetzt wird oder bei Überschreiten der höchst zulässigen Temperaturen sogar zur Zerstörung desselben erfolgt. Um dem zu begegnen, wird der Katalysator volumetrisch so groß ausgelegt, dass er am Ende des Fahrzeuglebens noch eine ausreichende Konvertierungsfähigkeit besitzt. Zusätzlich müssen also nach dem Stand der Technik Maßnahmen getroffen, die die maximale Abgastemperatur bei hohen Lasten begrenzen. Diese sogenannten Bauteilschutzmaßnahmen führen i. d. R. zu einem Anstieg der C02-Emissionen.
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Die Anforderung einer möglichst frühen Betriebsbereitschaft des Katalysators und die bei Turbo-Motoren erforderliche Ladedruckregelung erzeugen also einen direkten Zielkonflikt zu möglichst niedrigen CO2-Emissionen im Hochlastbetrieb bzw. zur volumetrischen Auslegung des Katalysators.
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Die
DE 10 2005 062 186 B4 zeigt eine Vorrichtung zur Abgaskühlung, bei welcher ein luftspaltisolierter Abgaskrümmer als Wärmetauscher ausgebildet ist. Für die Kühlung kann der Luftspalt des Abgaskrümmers mit Verdichterluft des Abgasturboladers beaufschlagt werden. Die Kühlluft durch den Abgaskrümmer kann mittels eines Ventils gesteuert werden. Die Kühlluft kann nach dem Durchgang durch den Abgaskrümmer entweder der Prozessluft oder dem Abgas zugeführt werden. An der Abgasturbine ist ein Wastegate-Ventil vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2006 011 889 A1 eine Vorrichtung zur Abgaskühlung mit einem luftspaltisolierten Abgaskrümmer als Wärmetauscher bekannt. Der Kühlluftstrom durch den doppelwandig ausgeführten Abgaskrümmer kann von einem einzelnen Abgasturbolader oder einem eigens hierfür vorgesehenen kleineren Zusatzturbolader erzeugt werden. Für die Regelung des Kühlluftstroms ist eine Ventileinrichtung in der Kühlluftleitung vorgesehen.
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Die
DE 10 2014 018 318 A1 zeigt ebenfalls eine Vorrichtung zur Abgaskühlung mit einem luftspaltisolierten Abgaskrümmer als Wärmetauscher. Der Kühlluftstrom durch den doppelwandig ausgeführten Abgaskrümmer wird von einem elektrisch angetriebenen Verdichter erzeugt und über eine Ventileinrichtung gesteuert.
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Aus der
DE 10 2016 116 995 A1 , der
DE 10 2019 008 665 A1 und der
DE 10 2017 200 966 A1 sowie der
JP 2005 220 778 A ist jeweils eine Vorrichtung zur Abgaskühlung mit einem luftspaltisolierten Abgaskrümmer als Wärmetauscher bekannt. Der Kühlluftstrom durch den doppelwandig ausgeführten Abgaskrümmer wird von dem Verdichter eines Abgasturboladers erzeugt und über eine Ventileinrichtung gesteuert.
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In der
WO 2014 205 168 A1 wird eine Vorrichtung zur Abgaskühlung beschrieben, bei welcher an einer Abgasleitung ein Luft/Abgas-Wärmetauscher vorgesehen ist. Der Kühlluftstrom durch den Wärmetauscher wird von einem Roots-Verdichter erzeugt. Der Kühlluftstrom durch den Abgaskrümmer wird über eine Ventileinrichtung gesteuert.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte zur Möglichkeit zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollen die zuvor diskutierten Probleme bzw. Zielkonflikte konstruktiv unaufwendig und zugleich zuverlässig gelöst werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit gemäß Anspruch 14. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Vorrichtung zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Abgasturbineneinrichtung mit wenigstens einer von einem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine antreibbaren Abgasturbine. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen von der Abgasturbine antreibbaren Ladeverdichter zum Bereitstellen eines Frischluftmassenstroms (aus verdichteter Frischluft) für die Aufladung der Brennkraftmaschine. Die von der Abgasturbine (an einer Welle bzw. Turboladerwelle) bereitgestellte mechanische Leistung wird verzweigt, um neben dem Ladeverdichter auch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine zu betreiben. Die Kühleinrichtung stellt mittels wenigstens einer von der mechanischen Leistung der Abgasturbine angetriebenen Kühlverdichtereinheit einen Kühlluftmassenstrom (aus verdichteter Kühlluft) bereit. Die Kühleinrichtung führt den Kühlluftmassenstrom einer (konvektiven) Wärmetauschereinrichtung vor Erreichen der Abgasturbine zu. Insbesondere befindet sich die Wärmetauschereinrichtung zwischen Brennkraftmaschine und Abgasturbine (bzw. stromabwärts der Brennkraftmaschine und stromaufwärts der Abgasturbine). Dabei ist der zur Wärmetauscheinrichtung geführte Kühlluftmassenstrom mittels wenigstens einer steuerbaren Ventileinrichtung einstellbar, um den Abgasmassenstrom (auf ein definiertes Temperaturniveau) gezielt abzukühlen. Insbesondere ist die Temperatur (bzw. Abgasenthalpie) des Abgasmassenstroms dadurch sowohl durch die Entnahme der Antriebsleistung für die Kühlverdichtereinheit (sog. T4-Absenkung) als auch durch die Konvektionskühlung der Wärmetauschereinrichtung (sog. T3-Absenkung) gezielt reduzierbar. Insbesondere wird dadurch eine kombinierte T3- und T4-Absenkung bereitgestellt. Die Ventileinrichtung ist unter Berücksichtigung einer Ladedruckgrenze der Brennkraftmaschine ansteuerbar, um den von der Abgasturbine bereitstellbaren Ladedruck wenigstens bei Überschreitung der Ladedruckgrenze durch gezieltes Abkühlen des Abgasmassenstroms vor dem Erreichen der Abgasturbine mittels des Kühlluftmassenstroms zu reduzieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet viele Vorteile. Ein erheblicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass dem Abgasmassenstrom durch die Abgasturbine gezielt Enthalpie entzogen werden kann, sodass die gewünschte Absenkung der Abgastemperatur bei hohen Lasten erreicht wird (T4-Absenkung). Die entnommene Enthalpie wird in der Abgasturbine umgewandelt in mechanische Energie und anschließend mittels der Kühlverdichtereinheit für die Erzeugung des Kühlluftmassenstromes genutzt. Dieser Kühlluftmassenstrom wird insbesondere dazu verwendet, um eine Konvektionskühlung der abgasführenden Bauteile vor dem ersten Katalysator zu erzielen (kombinierte T3- und T4-Absenkung). Dadurch können die oben diskutierten Probleme bzw. Zielkonflikte konstruktiv unaufwendig und zuverlässig gelöst werden.
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Insbesondere wird die Temperatur des Abgasmassenstroms durch die Entnahme der Antriebsleistung für die Kühlverdichtereinheit in der Abgasturbine und/oder nach der Abgasturbine reduziert. Insbesondere wird die Temperatur des Abgasmassenstroms durch die Konvektionskühlung der Wärmetauschereinrichtung vor der Abgasturbine reduziert. Insbesondere wird die Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms mittels einer Kombination aus der Konvektionskühlung der Wärmetauschereinrichtung (stromaufwärts der Abgasturbine) und der Entnahme der Antriebsleistung für die Kühlverdichtereinheit (in der Abgasturbine bzw. stromabwärts der stromaufwärts der Abgasturbine) reduziert. Insbesondere wird mittels der Ventileinrichtung eingestellt, wie groß das Verhältnis der Entnahme der Antriebsleistung für die Kühlverdichtereinheit (die T4-Absenkung) zu der Konvektionskühlung der Wärmetauschereinrichtung (der T3-Absenkung) ist.
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Die Ventileinrichtung ist unter Berücksichtigung einer (vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängigen) Ladedruckgrenze der Brennkraftmaschine ansteuerbar. Die Ansteuerung erfolgt, um den von der Abgasturbine bereitstellbaren Ladedruck (des Frischluftmassenstroms) wenigstens bei Überschreitung der Ladedruckgrenze durch gezieltes Abkühlen des Abgasmassenstroms mittels des Kühlluftmassenstroms zu reduzieren, bevor der Abgasmassenstrom die Abgasturbine erreicht.
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Diese Ausgestaltung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bietet die Reduzierung des Ladedrucks mittels der Kühleinrichtung. Insbesondere bietet die Erfindung eine einfach aufgebaute und variable Kühleinrichtung, welche eine Abgasnachbehandlung und Ladedruckreduzierung ermöglicht, die ihre Energie aus der überschüssigen Abgasenthalpie bezieht und damit die zuvor diskutierten Zielkonflikte besonders vorteilhaft löst. Dadurch, dass die Abgasenthalpie vor dem Eintreten in die Abgasturbine gezielt angepasst wird, kann die Abgasturbine dem Abgasmassenstrom die zur Verfügung stehende Abgasenthalpie möglichst maximal entziehen. So kann der Ladedruck reduziert werden, ohne dass beispielsweise ein Wastegate-Ventil nötig wäre. Somit treten auch keine heißen Abgasströme auf, welche den Katalysator beschädigen könnten. Vorteilhaft ist aber auch eine Kombination aus der zuvor beschriebenen Vorgehensweise mit einem Wastegate-Ventil.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass mittels der Ventileinrichtung der Kühlluftmassenstrom so eingestellt wird, dass ein Enthalpie-Ungleichgewicht zwischen Abgasturbine und Ladeverdichter wenigstens teilweise ausgeglichen wird. Insbesondere wird dazu die Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms mittels der Kühleinrichtung soweit reduziert, dass sie nicht größer als die für den geforderten Betrieb des Ladeverdichters benötigte Abgasenthalpie ist. Dabei wird insbesondere auch berücksichtigt, dass ein Teil der im Abgasmassenstrom enthaltenen Abgasenthalpie für die Antriebsleistung der Kühlverdichtereinheit benötigt wird. Mit anderen Worten, was für den gewünschten Ladedruck zu viel an Abgasenthalpie vorhanden ist, wird vorzugsweise mittels der Kühleinrichtung in Kühlleistung umgesetzt.
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In einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Weiterbildung wird der (von der Abgasturbine bereitstellbare) Ladedruck mittels der Kühleinrichtung wenigstens teilweise geregelt und vorzugsweise auf einen Sollwert geregelt. Insbesondere wird dazu die Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms soweit reduziert, dass sie der für den Soll-Ladedruck notwendigen Abgasenthalpie entspricht. Wenn die Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms bereits gering genug ist (z. B. aufgrund bestimmter Betriebszustände der Brennkraftmaschine), kann auf die Reduzierung der Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms auch gezielt verzichtet werden. Insbesondere wird die Kühlleistung verringert, wenn für den gewünschten Ladedruck zu wenig Abgasenthalpie bereitsteht.
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Vorzugsweise wird der Ladedruck wenigstens dadurch geregelt, dass die im Abgasmassenstrom enthaltene Abgasenthalpie durch die Entnahme der für die Kühlverdichtereinheit benötigten Antriebsleistung und/oder durch die gezielte Abkühlung des Abgasmassenstroms mittels des Kühlluftmassenstroms (auf einen Sollwert) reduziert wird.
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Es ist bevorzugt, dass eine (im Rahmen der vorliegenden Erfindung mittels der Kühleinrichtung umgesetzte) Ladedruckregelung ohne eine Vorbeiführung des Abgasmassenstroms an der Abgasturbine auskommt. Insbesondere kommt die Ladedruckregelung ohne ein Wastegate-Ventil aus. Dabei werden unter einem Wastegate-Ventil insbesondere auch eine Wastegate-Klappe oder andere Vorrichtungen zur Vorbeiführung des Abgasmassenstroms verstanden. Insbesondere kann der Ladedruck wenigstens in bestimmten Betriebszuständen oder auch in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine allein mit der Kühleinrichtung geregelt werden. Insbesondere kann mittels der Kühleinrichtung der Ladedruck reduziert und vorzugsweise auf einen Sollwert geregelt werden, ohne dass ein Wastegate-Ventil zum Einsatz kommt. Insbesondere erfolgt die Ladedruckregelung nur mittels der Kühleinrichtung.
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Möglich ist aber auch, dass die Ladedruckregelung ergänzend zur Kühleinrichtung auch mittels wenigstens eines Wastegate-Ventils erfolgt. Beispielsweise kann der Ladedruck in definierten Lastzuständen ergänzend oder auch alleine mit dem Wastegate-Ventil geregelt werden. In solchen Ausgestaltungen ist aber bevorzugt, dass zumindest eine gezielte Reduzierung des Ladedrucks mittels der Kühleinrichtung erfolgt.
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Insbesondere wird eine Vorbeiführung des Abgasmassenstroms an der Abgasturbine und beispielsweise ein Wastegate-Ventil (nur) dazu eingesetzt, um eine Katalysatoreinrichtung auf Betriebstemperatur zu heizen und/oder um bei einem Störfall der Kühleinrichtung ersatzweise eine Ladedruckregelung zu ermöglichen. Insbesondere dient die Vorbeiführung dabei nicht als eine Ladedruckregelung im Normalbetrieb.
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Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Ventileinrichtung wenigstens ein steuerbares (regelbares) Drosselventil zur Beeinflussung des Kühlluftmassenstroms umfasst. Insbesondere ist das Drosselventil zwischen Kühlverdichtereinheit und Wärmetauschereinrichtung angeordnet. Insbesondere ist die Ventileinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, den Kühlluftmassenstrom zu regeln und/oder seine Strömungsgeschwindigkeit einzustellen. Insbesondere ist die Ventileinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, austrittsseitig an der Kühlverdichtereinheit einen definierten Staudruck aufzubauen. Insbesondere ist die Ventileinrichtung dazu vorgesehen, die Kühlverdichtereinheit in einem möglichst günstigen Betriebspunkt zu betreiben.
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Bevorzugt und vorteilhaft ist auch, dass die Ventileinrichtung wenigstens ein steuerbares (regelbares) Umluftventil umfasst. Insbesondere kann mittels des Umluftventils der Kühlluftmassenstrom von einer Austrittsseite der Kühlverdichtereinheit über einen Bypass wieder zurück zu einer Eintrittsseite der Kühlverdichtereinheit geführt werden. Insbesondere erfolgt dadurch eine Rezirkulation des Kühlluftmassenstroms. Vorzugsweise wird die Rezirkulation wenigstens dann aktiviert, wenn die an dem Ladeverdichter abgenommene Leistung wenigstens näherungsweise gleich der erzeugten Abgasturbinenleistung ist. Insbesondere wird die Rezirkulation in einem transienten Fall und/oder bei Drehzahlen unterhalb eines Grenzwerts aktiviert. Insbesondere weist das Umluftventil eine integrierte Drossel auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Ventileinrichtung wenigstens ein steuerbares (regelbares) kombiniertes Kaltluftumschaltventil. Insbesondere vereint das Kaltluftumschaltventil die Funktion des Drosselventils und des Umluftventils. Insbesondere ist das Kaltluftumschaltventil als ein Wegeventil mit integrierter Drossel ausgebildet. Beispielsweise ist ein 3/2-Wegeventil vorgesehen. Insbesondere ermöglicht die integrierte Drossel einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Schaltstellungen des Wegeventils.
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In einer vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung ist die Kühlverdichtereinheit nur gemeinsam mit dem Ladeverdichter durch die Abgasturbine antreibbar. Vorzugsweise ist die Kühlverdichtereinheit auf einer gemeinsamen Welle (beispielsweise Turboladerwelle) mit dem Ladeverdichter und/oder der Abgasturbine (drehfest) angeordnet. Insbesondere umfasst die Kühlverdichtereinheit wenigstens einen Kühlverdichter. Insbesondere sind der Kühlverdichter und der Ladeverdichter separate Verdichter.
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Vorzugsweise ist eine Luftführung des Kühlluftmassenstroms unabhängig von einer Luftführung einer Prozessluft für die Brennkraftmaschine und insbesondere des Frischluftmassenstroms für die Brennkraftmaschine. Insbesondere sind die Brennkraftmaschine und die Kühleinrichtung mechanisch nur über die Abgasturbine und funktionell nur über die Laderegelung und thermisch nur über die Wärmetauscheinrichtung gekoppelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kühlverdichtereinheit und der Ladeverdichter durch einen gemeinsamen Kombiverdichter bereitgestellt werden. Insbesondere ist der Kombiverdichter durch die Abgasturbine antreibbar. Insbesondere ist der Kombiverdichter auf einer gemeinsamen Welle mit der Abgasturbine angeordnet. Insbesondere wird stromabwärts des Kombiverdichters der aus dem Kombiverdichter kommende Luftmassenstrom aufgeteilt in den Kühlluftmassenstrom und den Frischluftmassenstrom. Dabei wird der Kühlluftmassenstrom, insbesondere wie zuvor beschrieben mittels der Ventileinrichtung gesteuert der Wärmetauschereinrichtung zugeführt. In dieser Ausführung kann die Ventileinrichtung das Drosselventil und/oder das Umluftventil und/oder das Kaltluftumschaltventil aufweisen.
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Insbesondere wird der Kühlluftmassenstrom nach dem Passieren der Wärmetauschereinrichtung ins Freie entlassen. Insbesondere wird der Kühlluftmassenstrom nach dem Passieren der Wärmetauscheinrichtung aus dem Fahrzeug ausgeleitet. Insbesondere dient der Kühlluftmassenstrom nicht als Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehen. Dabei ist die Vorrichtung dazu geeignet und ausgebildet, nach dem hier vorgestellten Verfahren betrieben zu werden. Insbesondere umfasst die Vorrichtung die zur Ausführung des Verfahrens notwendigen Vorrichtungsmerkmale. Insbesondere sind die Vorrichtungsmerkmale so ausgebildet, wie es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen beschrieben ist. Die Vorrichtung kann wenigstens eine Brennkraftmaschine umfassen.
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Die Wärmetauscheinrichtung umfasst insbesondere wenigstens einen (komplexen) Wärmetauscher. Die Wärmetauscheinrichtung stellt insbesondere eine Umströmung von abgasführenden Bauteilen mit dem Kühlluftmassenstrom bereit. Die Wärmetauscheinrichtung umfasst insbesondere eine Oberflächenvergrößerung und beispielsweise Lamellen oder Rippen oder dergleichen.
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Es ist möglich, dass zwischen dem Ladeverdichter und der Brennkraftmaschine wenigstens ein Ladeluftkühler für den Frischluftmassenstrom angeordnet ist.
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Insbesondere ist die Katalysatoreinrichtung im Abgasmassenstrom stromabwärts von der Abgasturbine angeordnet. Insbesondere umfasst die Katalysatoreinrichtung wenigstens einen Katalysator. Die Frischluft ist insbesondere Umgebungsluft. Die Kühlluft ist insbesondere Umgebungsluft. Die Frischluft und/oder die Kühlluft werden insbesondere über wenigstens einen gemeinsamen oder über jeweils einen separaten Luftfilter angesaugt.
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Insbesondere wird der Kühlluftmassenstrom so eingestellt, dass der Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine auf ein solches Temperaturniveau abgekühlt wird, welches einer Abgasenthalpie des Abgasmassenstroms für einen verringerten Ladedruck entspricht. Insbesondere wird die von der Abgasturbine aus der Abgasenthalpie bereitgestellte mechanische Leistung einerseits in eine Leistung des Ladeverdichters für den Frischluftmassenstrom zum Betrieb der aufgeladenen Brennkraftmaschine (Ladungswechselarbeit bei Aufladung) und andererseits in die zum Betrieb der (konvektiven) Kühleinrichtung benötigte Leistung verzweigt. Insbesondere kann die Kühleinrichtung auch noch Leistung aus anderen Quellen bekommen, beispielsweise elektrische Leistung zum Betrieb ihrer elektrischen bzw. elektronischen Komponenten. Insbesondere umfasst die Kühlleistung der Kühleinrichtung die Antriebsleistung der Kühlverdichtereinheit und/oder die Kühlleistung des Kühlluftmassenstroms.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 ein stark schematisiertes Schaubild zur Veranschaulichung einer nach dem Stand der Technik betriebenen Vorrichtung zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine;
- 2 ein stark schematisiertes Schaubild zur Veranschaulichung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Vorrichtung;
- 3 ein stark schematisiertes Schaubild zur Veranschaulichung einer anderen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Vorrichtung; und
- 4 ein stark schematisiertes Schaubild zur Veranschaulichung einer weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt zur Einführung eine Vorrichtung 1 zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine 2 aus dem Stand der Technik. Eine Abgasturbineneinrichtung 3 weist eine von einem Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine 2 angetriebene Abgasturbine 13 auf. Diese ist über eine Welle 33 mit einem Ladeverdichter 23 verbunden. Der Abgasturbineneinrichtung 3 ist zudem ein Wastegate-Ventil 5 zugeordnet.
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Von der Ansauganlage (ANS) gelangt ein Frischluftmassenstrom mit dem Druck (p0) und der Temperatur (T0) in den Verdichter (V) des Abgasturboladers. Von diesem wird der Luftmassenstrom aufgeladen auf das Druck- und Temperaturniveau (p2; T2). Anschließend erfolgt im Ladeluftkühler (LLK) eine Abkühlung auf das Druck- und Temperaturniveau (p21; T21) und der abgekühlte Massenstrom wird der VKM zugeführt. Hier wird der Kraftstoff zugemischt und der eigentliche Verbrennungsvorgang findet statt. Der Abgasmassenstrom mit dem Druck- und Temperaturniveau (p3; T3) wird der Turbine (T) des Abgasturboladers zugeführt und gibt dort Arbeit ab, die zum Antrieb des Verdichters (V) benötigt wird. Infolgedessen hat sich der Abgasmassenstrom auf das Druck- und Temperaturniveau (p4; T4) abgekühlt und wird der Abgasanlage (AGA) mit den Abgasnachbehandlungseinrichtungen zugeführt. Sobald es zum beschriebenen Enthalpie-Ungleichgewicht zwischen Turbine (T) und Verdichter (V) kommt, d. h. wenn die Turbine (T) mehr Abgasenthalpie in mechanische Arbeit umwandeln kann, als der Verdichter (V) aufnehmen kann, wird das Wastegate-Ventil (WG) geöffnet und ein Teil des Abgasmassenstromes an der Turbine (T) vorbeigeführt. Mittels des Wastegates erfolgt hier also die Ladedruckregelung bzw. Ladedruckbegrenzung. Selbstverständlich gibt nach dem Stand der Technik diverse Ausführungsformen. Erwähnt seien z. B. variable Abgasturbinen (VTG), mehrere parallel oder seriell verschaltete Aufladeeinrichtungen, auf die an dieser Stelle aber nicht näher eingegangen wird, da das Grundschema der Ladedruckregelung im Wesentlichen identisch ist.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasturboaufladung einer Brennkraftmaschine 2, welche hier nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Die an der Welle 33 bereitgestellte mechanische Leistung wird verzweigt, um neben dem Ladeverdichter 23 auch eine Kühleinrichtung 4 zur Kühlung des Abgasmassenstroms der Brennkraftmaschine 2 zu betreiben. Die Kühleinrichtung 4 umfasst eine Kühlverdichtereinheit 14, welche hier auf der Welle 33 angeordnet ist und von der mechanischen Leistung der Abgasturbine 13 angetrieben wird.
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Die Kühlverdichtereinheit 14 erzeugt einen Kühlluftmassenstrom und leitet diesen über eine Ventileinrichtung 34 zu einer Wärmetauscheinrichtung 24. Die Ventileinrichtung 34 ist hier mit einem Drosselventil 44 und einem Umluftventil 54 ausgestattet. Das Umluftventil 54 öffnet und schließt einen Bypass 64.
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Dabei wird der Kühlluftmassenstrom mittels der Ventileinrichtung 34 so eingestellt, dass der Abgasmassenstrom gezielt abgekühlt wird. Dazu wird die Temperatur des Abgasmassenstroms sowohl durch die Entnahme der Antriebsleistung für die Kühlverdichtereinheit 14 als auch durch die Konvektionskühlung der Wärmetauschereinrichtung 24 gezielt reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung reduziert die Ventileinrichtung 34 bei einer Überschreitung einer Ladedruckgrenze den Ladedruck dadurch, dass der Abgasmassenstrom gezielt mit dem Kühlluftmassenstrom abgekühlt wird und ein Teil der Abgasenthalpie für die Kühlverdichtereinheit 14 benötigt wird.
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Der Abgasturbolader weist einen konventionellen Verdichter (V1) auf und wird durch einen zweiten Verdichter (V2), der auf derselben Welle sitzt, ergänzt. Der reguläre Weg des Luft- bzw. Abgasmassenstromes bleibt dabei weitestgehend unverändert. Der hinzugekommene Verdichter (V2) saugt seinerseits einen von der Prozessluftführung der VKM unabhängigen Kühlluftmassenstrom an. Der Luftmassenstrom aus V2 wird einer regelbaren Drossel, dem Kühlluftregelventil (KLRV) zugeführt, geregelt und anschließend dem Abgaswärmetauscher (AGWT) zugeführt.
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Ein Ziel ist hier die konvektive Kühlung der abgasführenden Komponenten und damit letztlich das Absenken der Abgastemperatur von einem Niveau (p31; T31) auf ein Niveau (p32; T32). Der AGWT kann dabei ein komplexer Abgaswärmetauscher sein, ähnlich, wie er z. B. in Abgasrückführleitungen verwendet wird. Die Konvektionskühlung kann aber auch durch eine einfache Umströmung von Abgasbauteilen mit möglichst großer Oberfläche realisiert werden (z. B. bei Rohr-Abgaskrümmern). In einer vorteilhaften Ausprägung sind die Oberflächen der abgasführenden Bauteile im Bereich (AGWT) bzgl. eines möglichst hohen konvektiven Wärmeübergangs optimiert (z. B. Rippen zur Oberflächenvergrößerung). Nach Passieren der abgasführenden Bauteile (bzw. des AGWT) gelangt der Kühlluftmassenstrom ins Freie und wird aus dem Fahrzeug ausgeleitet. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass der Kühlluftmassenstrom vollkommen unabhängig vom Prozessluftmassenstrom der VKM ist. Die VKM und die Kühleinrichtung sind praktisch nur mechanisch über die ATL-Welle und damit über die Ladedruckregelung gekoppelt sowie thermisch über den AGWT.
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Das KLRV wird benötigt, um den Kühlluftmassenstrom zu regeln und austrittsseitig einen gewissen Staudruck aufzubauen, um den Verdichter (V2) in einem günstigeren Betriebspunkt zu betreiben. Dies ist ggf. notwendig, da die Verdichter (V1) und (V2) durch die gemeinsame Welle mechanisch gekoppelt sind und somit stets mit der gleichen Drehzahl rotieren. Aufgrund von Bauraum-Restriktionen und einer möglichst geringen Massenträgheit (Transient-Verhalten) ist die Auslegung des Verdichters (V2) u. U. ebenfalls limitiert und es muss seitens des KLRV ein bestimmtes Druckverhältnis für einen günstigen Verdichterbetriebspunkt eingestellt werden. Darüber hinaus lässt sich hiermit die Strömungsgeschwindigkeit einstellen. In einer vorteilhaften Ausprägung kann das KLRV auch zur Ladedruckregelung verwendet werden. In diesem Fall könnte das Wastegate (WG) an der Turbine entfallen. Es wird immer die volle Turbinenleistung in mechanische Energie umgewandelt, was das Wastegate bei entsprechender Turbinenauslegung überflüssig macht. Die Ladedruckregelung wird mittels des KLRV erreicht. Sobald der Soll-Ladedruck durch den Verdichter (V1) erreicht ist, wird mittels des Verdichters (V2) und des KLRV die „überschüssige“ mechanische Turbinenleistung in Verdichterleistung V2 und letztlich in „Kühlenergie“ umgewandelt.
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Eine weitere sinnvolle Zusatzeinrichtung stellt das Umluftventil (ULV) dar. Für die Betriebspunkte, in denen die abgenommene Verdichterleistung (V1) der erzeugten Turbinenleistung (T) entspricht, also z. B. im transienten Fall oder bei niedrigen Drehzahlen, muss verhindert werden, dass der Verdichter (V2) den Verdichter (V1) kannibalisiert. Zu diesem Zweck wird die verdichtete Luft aus V2 durch einen mit dem ULV regelbaren Bypasskanal geleitet und dem Verdichtereintritt V2 wieder zugeführt. Dies stellt also gewissermaßen eine Rezirkulation dar, ähnlich der in einem Windkanal. Dieses Prinzip der verdichterseitigen Rezirkulation ist nach dem Stand der Technik bei Turbo-Motoren seit Jahrzehnten Stand der Technik und wird mittels des Schubumluftventils realisiert, wenngleich für einen vollkommen anderen Betriebspunkt (Aufrechterhalten der Turboladerdrehzahl bei schlagartigem Schließen der Drosselklappe im Schubbetrieb). Es stellt also eine bekannte verhältnismäßig einfache Komponente dar.
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Theoretisch ist in der hier gezeigten Anordnung das Wastegate für die Ladedruckregelung nicht mehr erforderlich und könnte damit entfallen. Um den Katalysator schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, ist eine Bypassierung der Abgasturbine dennoch sinnvoll. Darüber hinaus stellt das Wastegate eine failsafe-Lösung dar, falls die beschriebene Ladedruckregelung über das KLRV ausfällt. Es wird also empfohlen, das Wastegate nicht entfallen zu lassen.
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Die 3 zeigt eine Ausgestaltung der Vorrichtung 1, welche ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Dabei umfasst die Ventileinrichtung 34 hier ein Kaltluftumschaltventil 74, welches die Funktion des Drosselventils 44 und des Umluftventils 54 bereitstellt.
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Hier werden die beiden Drosselventile KLRV und ULV ersetzt durch das kombinierte Kaltluftumschaltventil (KLUV). Dieses arbeitet nach dem Prinzip eines 3/2-Regelventils jedoch nicht mit einfacher Schwarz/Weiß-Regelung, sondern mit integrierter Drossel, also mit einem kontinuierlichen Übergang. Die Herausforderung besteht hier in der komplexeren, weil nicht mehr unabhängig voneinander möglichen Regelung. Der Vorteil besteht im einfacheren mechanischen Aufbau. Der restliche Aufbau ist unverändert.
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Die 4 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. In dieser Variante werden der Ladeverdichter 23 und die Kühlverdichtereinheit 14 durch einen gemeinsamen Kombiverdichter 43 bereitgestellt.
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In der hier gezeigten Variante entfällt der zweite Verdichter V2. Sowohl der Prozessluftmassenstrom für die VKM als auch der Kühlluftmassenstrom werden durch den gemeinsamen Verdichter (V1) bereitgestellt. Stromabwärts wird der Kühlluftmassenstrom durch eine Verzweigung aufgeteilt in den Prozessluftmassenstrom für die VKM und den Kühlluftmassenstrom. Durch das KLRV wird der Kühlluftmassenstrom geregelt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in nochmals vereinfachten Aufbau.
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Die Herausforderung besteht hier darin, dass der Verdichter V1 hier beide Massenströme bereitstellen muss. Somit sollte dieser Verdichter wesentlich größer zu dimensionieren sein. In der statischen Volllast ist dies umsetzbar, kann aber ggf. deutliche Nachteile um Transientverhalten aufweisen.
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Ein Vorteil der hier vorgestellten Erfindung besteht auch darin, dass dem Abgasmassenstrom durch die Turbine mehr Enthalpie entzogen werden kann und damit die gewünschte Absenkung der Abgastemperatur bei hohen Lasten einfach erreicht werden kann (T4-Absenkung). Die entnommene Enthalpie wird in der Turbine umgewandelt in mechanische Energie und anschließend mittels eines zusätzlichen Gebläses für die Erzeugung eines Kühlluftmassenstromes genutzt. Dieser Kühlluftmassenstrom wird dazu verwendet, um eine Konvektionskühlung der abgasführenden Bauteile vor dem ersten Katalysator zu erzielen (kombinierte T3- und T4-Absenkung).
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Abgasturbineneinrichtung
- 4
- Kühleinrichtung
- 5
- Wastegate-Ventil
- 13
- Abgasturbine
- 14
- Kühlverdichtereinheit
- 23
- Ladeverdichter
- 24
- Wärmetauschereinrichtung
- 33
- Welle
- 34
- Ventileinrichtung
- 43
- Kombiverdichter
- 44
- Drosselventil
- 54
- Umluftventil
- 64
- Bypass
- 74
- Kaltluftumschaltventil
