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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Brennkraftmaschine mit einem Verdichter nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1 sowie auf ein Verfahren hierzu.
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Aus der Druckschrift
DE 199 55 508 C1 ist eine
Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, welcher eine
Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie im Abgasstrang sowie
einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst, der von der Abgasturbine
angetrieben wird und angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck
komprimiert. Über
die variable Turbinengeometrie ist der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt
in der Abgasturbine in Abhängigkeit
aktueller Motor-Zustands- und
Betriebsgrößen veränderlich
einstellbar. Auf der Verdichterseite ist eine zusätzliche
Luftturbine angeordnet, die insbesondere im niedrigen Last-/Drehzahlbereich
der Brennkraftmaschine zugeschaltet wird, in welchem ein Unterdruck
im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine herrscht, wobei die Luftturbine über den
Differenzdruck von Umgebungsdruck der zugeführten Verbrennungsluft und
niedrigerem Ansaugdruck stromab der Luftturbine angetrieben wird
und über
eine Kopplung mit dem Lader der Abgasturbine Rotationsenergie in
den Lader einspeist, wodurch die Laderdrehzahl auf einem Mindestniveau
gehalten werden kann. Luftturbine und Abgasturbolader sind koaxial
angeordnet, die jeweiligen Drehwellen sind kinematisch gekoppelt.
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Mit dieser Ausführung kann die Drehzahlspanne,
die vom Abgasturbolader im Betrieb der Brennkraftmaschine durchlaufen
wird, zwar vermindert werden. Ein wirksamer Eingriff in die Drehzahl des
Laders durch den Antrieb über
die Luftturbine ist jedoch nur im niederen Last- und Drehzahlbereich der
Brennkraftmaschine möglich.
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Gemäß einem weiteren, in der
DE 199 55 508 C1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist parallel zum Verdichtereinlasskanal, in welchem das Verdichterrad
drehbar gelagert ist und über
dem die Luftzufuhr zum Verdichterrad erfolgt, ein Zusatzkanal vorgesehen,
welcher in den Verdichtereinlasskanal im Bereich des Verdichterrades
radial von außen
einmündet. Über den
Zusatzkanal kann ein Kaltluft-Turbinenbetrieb des Verdichters realisiert
werden, indem bei niedrigen Last- und Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine,
bei denen über
dem Verdichter ein Druckgefälle
anliegt, eine Drosselklappe im Verdichtereinlasskanal geschlossen
wird, so dass die gesamte Luftzufuhr über den Zusatzkanal erfolgt
und die einströmende
Luft unmittelbar auf die Schaufeln des Verdichterrades auftrifft
und diese mit einem das Verdichterrad in Rotation versetzenden Drehimpuls beaufschlagt.
Im Mündungsbereich
des Zusatzkanals zum Verdichtereinlasskanal kann ein verstellbares
Leitgitter angeordnet sein, über
das einerseits der wirksame Mündungsquerschnitt
variabel einstellbar ist und das andererseits für eine gezielte Strömungsumlenkung
der über
den Zusatzkanal einströmenden Verbrennungsluft
sorgt, so dass diese unter einem gewünschten Drall auf das Verdichterrad
auftrifft.
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Mit den vorgeschriebenen Maßnahmen
ist es zwar möglich,
ein Absinken des Drehzahlniveaus des Abgasturboladers unter einen
Schwellenwert zu verhindern. Diese Maßnahmen greifen jedoch nur unter
ganz bestimmten Last- und Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die
Drehzahl eines Verdichters für
eine Brennkraftmaschine in einem weiten Be- triebsbereich der Brennkraftmaschine
auf einem möglichst
konstanten Niveau zu halten bzw. Drehzahlschwankungen zu minimieren.
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Dieses Problem wird bei einer mit
einem Verdichter ausgestatteten Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruches 1 und gemäß einem
Verfahren zum Betreiben eines Verdichters für eine Brennkraftmaschine mit
den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Dem Verdichter im Ansaugtrakt der
Brennkraftmaschine ist ein Hilfskompressor zugeordnet, welcher einteilig
oder auch separat vom Verdichtergehäuse ausgebildet ist und über den
bei Bedarf verdichtete Zusatzluft in einen Zusatzkanal des Verdichters
eingespeist werden kann. Dieser Zusatzkanal verläuft im Wesentlichen parallel,
jedoch radial nach außen
versetzt zum Verdichtereinlasskanal, in welchem das Verdichterrad
drehbar gelagert ist und über den
der Hauptmassenstrom der Verbrennungsluft dem Verdichterrad zuzuführen ist.
Der Zusatzkanal ist separat vom Verdichtereinlasskanal ausgebildet und
mündet
radial von außen
in den Verdichtereinlasskanal ein. Auf Grund der separaten Ausführung des
Zusatzkanales sind die Luftmassenströme durch den Verdichtereinlasskanal
und durch den Zusatzkanal komplett getrennt; eine Durchmischung
findet erst im Mündungsbereich
zwischen Zusatzkanal und Verdichtereinlasskanal statt.
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Über
die Einblasung der Zusatzluft in den Zusatzkanal wird eine aerodynamische
Kopplung zwischen dem Hilfskompressor und dem Verdichter erreicht.
Im Unterschied zum Stand der Technik ist keine mechanische Verbindung
zwischen den Drehwellen von Hilfskompressor und Verdichter vorgesehen, wodurch
man insbesondere bauliche Unabhängigkeit von
Hilfskompressor und Verdichter erhält.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin,
dass gemäß einer
bevorzugten Ausführung über die
radiale Zuführung
von Zusatzluft dem Luftmassenstrom ein gewünschter Drall aufgeprägt werden
kann, unter dem der Luftmassenstrom auf das Verdichterrad auftrifft, wodurch
das Verdichterrad einen antreibenden Drehimpuls erfährt. Die über den
Zusatzkanal eingeleitete Verbrennungsluft, angetrieben durch den
Hilfskompressor, dient also zur Beschleunigung des Verdichterrades.
Dies eröffnet
die Möglichkeit,
die Verdichterraddrehzahl unabhängig
von der primären
Antriebsquelle des Verdichterrades auf einem gewünschten Drehzahlniveau zu halten,
so dass das Verdichterrad über
einen großen
Bereich der Last- und Betriebszustände der Brennkraftmaschine
auf einer Nenn- bzw. Betriebsdrehzahl betrieben werden kann oder
zumindest Drehzahlschwankungen reduziert werden können.
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Die über den Zusatzkanal eingeleitete,
komprimierte Verbrennungsluft verliert nach dem Auftreffen auf das
Verdichterrad an kinetischer Energie und entspannt sich. Falls der
Ansaugdruck stromab des Verdichters geringer ist als der Druck,
unter dem die Zusatzluft auf das Verdichterrad auftrifft, wird unter diesen
Bedingungen der Verdichter im Turbinenbetrieb eingesetzt; diese
Betriebsweise kann auch als Kaltluft-Turbinenbetrieb bezeichnet werden.
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Die Kombination von Verdichter und
Hilfskompressor kann in besonders vorteilhafter Weise im Zusammenhang
mit einem Abgasturbolader eingesetzt werden. In diesem Fall wird
der Verdichter als Bestandteil des Abgasturboladers von einer Abgasturbine
angetrieben, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet
ist und von den unter Druck stehenden Abgasen angetrieben wird.
Da die Antriebsenergie für
die Turbine von der Abgasmenge und dem Abgasdruck abhängt, entsteht
bei derartigen, herkömmlichen
Abgasturboladern bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine
ein starker Leistungsabfall des Laders, welcher aber durch die Kombination
mit dem Hilfskompressor und der über
den Hilfskompressor angetriebenen Verbrennungsluft, die über den
Zusatzkanal in den Verdichter eingeleitet wird, zumindest teilweise kompensiert
werden kann. Es kann auf diese Weise eine im Wesentlichen drehzahlstationäre Aufladung der
Brennkraftmaschine erreicht werden.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist im Mündungsbereich
des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal ein Leitgitter vorgesehen,
welches für einen
zusätzlichen,
gewünschten
Drall der auf das Verdichterrad auftreffenden Verbrennungsluft sorgt. Das
Leitgitter kann in einer ersten, einfach zu realisierenden Ausführung als
Festgeometrie ausgebildet sein oder aber gemäß einer zweiten, vorteilhaften Ausführung verstellbar
ausgebildet sein, wodurch der wirksame Mündungsquerschnitt des Zusatzkanals
in den Verdichtereinlasskanal verändert werden kann. Man erhält hierdurch
eine zusätzliche
Einstellmöglichkeit,
die für
einen Verdichterbetrieb bei Nenndrehzahl bzw. bei geringer Drehzahlschwankung
ausgenutzt werden kann.
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So ist es insbesondere zur Realisierung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich,
das variable Leitgitter in dem Mündungs bereich
von Zusatzkanal zu Verdichtereinlasskanal in der Weise zu manipulieren,
dass im Wesentlichen unabhängig
vom aktuellen Last- und Drehzahlzustand der Brennkraftmaschine die
Drehzahl des Verdichterrades konstant oder zumindest innerhalb eines
vorgebbaren, schmalen Drehzahlbandes gehalten wird. Die Einstellung
der Leitgitterposition erfolgt primär zur Erzielung der konstanten
Verdichterraddrehzahl, wobei hilfsweise auch der Antrieb des Hilfskompressors verändert werden
kann, falls die Einstellmöglichkeit ausschließlich über das
Leitgitter im Verdichterrad nicht ausreicht.
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Falls der Verdichter Bestandteil
eines Abgasturboladers mit einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie
ist, stellt Letztere eine zusätzliche
Einstellmöglichkeit
dar, wobei als zusätzliches
Regelkriterium eine konstante oder zumindest näherungsweise konstante Betriebsdrehzahl
des Hilfskompressors eingestellt werden kann, so dass sowohl der
Verdichter als auch der Hilfskompressor stationär bzw. quasistationär betrieben
werden können.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen
Abgasturbine mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie
ausgestattet ist, wobei dem Verdichter des Abgasturboladers ein
Hilfskompressor zugeordnet ist, der über einen separaten Antrieb
verfügt,
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2 einen
Schnitt durch den Verdichter, dargestellt mit Verdichterrad im Verdichtereinlasskanal
sowie einem parallel zum Verdichtereinlasskanal verlaufenden Zusatzkanal, über der
von dem Hilfskompressor verdichtete Zusatzluft dem Verdichterrad zuzuführen ist,
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3 ein
Abgasturbolader als Aggregat einer Brennkraftmaschine, wobei auf
eine Drosselklappe im Ansaugtrakt stromauf des Verdichters verzichtet
wird,
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4 einen
Schnitt durch den Verdichter aus 3,
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5 einen
weiteren Abgasturbolader mit dem Verdichter zugeordneten Hilfskompressor,
wobei der Verdichter im Mündungsbereich
von Zusatzkanal zu Verdichtereinlasskanal ein Leitgitter mit Festgeometrie
besitzt,
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6 einen
Schnitt durch den Verdichter aus 5,
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7 ein
Verdichterkennfeld mit Kennlinien für das Druckverhältnis über dem
Verdichter in Abhängigkeit
vom reduzierten Massenstrom, mit Kennfeldlinien, die den Einfluss
des Hilfskompressors auf das Verdichterverhalten darstellen.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 dargestellten
Brennkraftmaschine 1 - ein Ottomotor oder eine Diesel-Brennkraftmaschine – ist ein
Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 4 und einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet.
Das Turbinenrad der Abgasturbine 3 wird von den unter Druck
stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben
und treibt ihrerseits über
eine Welle 7 ein Verdichterrad an, welches im Gehäuse des Verdichters 5 drehbar gelagert
ist, woraufhin Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt und auf
einen erhöhten
Druck stromab des Verdichters 5 komprimiert wird. Zur veränderlichen
Einstellung des Turbineneintrittsquerschnittes ist die Abgasturbine 3 mit
einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet, die über ein
Stellorgan in Abhängigkeit
von dem aktuellen Zustand der Brennkraftmaschine bzw. der der Brennkraftmaschine
zugeordneten Aggregate einzustellen ist. Über die variable Turbinengeometrie
ist der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zum Turbinenrad einstellbar.
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Im Ansaugtrakt 6 befindet
sich stromab des Verdichters 5 ein Ladeluftkühler 9,
in welchem die komprimierte Luft gekühlt wird. Im weiteren Verlauf wird
die gekühlte
Luft unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Des Weiteren ist eine Abgasrückführung 10 vorgesehen,
welche eine Rückführleitung
zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem
Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 9 umfasst, wobei
in der Rückführleitung
ein einstellbares Rückführventil
und ein Abgaskühler
angeordnet sind.
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Dem Verdichter 5 ist ein
Hilfskompressor 12 zugeordnet, welcher über einen Antrieb 28,
insbesondere einen Elektromotor, angetrieben wird und Verbrennungsluft
aus der Umgebung auf einen erhöhten
Druck verdichtet. Dem Hilfskompressor 12 wird die Verbrennungsluft über einen
Leitungsabschnitt 15 des Ansaugtraktes 6 stromauf
des Verdichters 5 sowie stromauf eines im Leitungsabschnitt 15 angeordneten
Sperrorgans 13, das eine Drosselklappe bildet, zugeführt, wobei
die Verbrennungsluft nach der Verdichtung im Hilfskompressor 12 über einen Zusatzkanal 11 und über ein
verstellbares Leitgitter 14 im Verdichter 5 auf
das Verdichterrad geleitet wird, welches dadurch einen antreibenden
Drehimpuls erfährt.
Leitgitter 14, Zusatz kanal 11 und gegebenenfalls
auch das Sperrorgan 13 einschließlich dem Leitungsabschnitt 15 können Bestandteil
des Verdichters 5 sein und in das Verdichtergehäuse integriert sein.
Der Leitungsabschnitt 15 zwischen dem Sperrorgan 13 und
dem Verdichterrad ist in diesem Fall mit dem Verdichtereinlasskanal
identisch.
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Der Brennkraftmaschine 1 ist
weiterhin eine Regel- und Steuereinheit 16 zugeordnet, über die
die einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine
und/oder der Aggregate einstellbar sind. Bei den einstellbaren Aggregaten
handelt es sich insbesondere um die variable Turbinengeometrie 8,
um das einstellbare Leitgitter 14 im Verdichter 5,
um das Sperrorgan 13, um den Antrieb 28 sowie
um das Rückführventil
der Abgasrückführung 10.
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Der Schnittdarstellung nach 2 ist zu entnehmen, dass
der Zusatzkanal 11 im Verdichtergehäuse etwa parallel zu dem Verdichtereinlasskanal 18 verläuft, in
welchem das Verdichterrad 1.9 drehbar gelagert ist und über den
dem Verdichterrad die Verbrennungsluft zuzuführen ist. Der Zusatzkanal liegt radial
außerhalb
des Verdichtereinlasskanals 18 und mündet über einen Mündungsbereich 17 radial
von außen
in den Verdichtereinlasskanal 18. Der Mündungsbereich 17 liegt
axial im Bereich der Verdichterradschaufeln des Verdichterrades 19,
so dass die über
den Zusatzkanal 11 zuzuführende Verbrennungsluft unmittelbar
auf die Verdichterradschaufeln auftrifft und dem Verdichterrad einen
antreibenden Drehimpuls versetzt. Die Verbrennungs- bzw. Zusatzluft
im Zusatzkanal 11 wird von dem Hilfskompressor 12 unter
erhöhten
Druck versetzt, welcher von dem Antrieb 28 angetrieben
wird.
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Das Leitgitter 14 im Mündungsbereich 17 zwischen
Zusatzkanal 11 und Verdichtereinlasskanal 18 ist
veränderlich
einstellbar, wofür
ein Absperrelement 21 axial in Pfeilrichtung 24 verschiebbar
ausgebildet ist. Das Absperrelement 21 weist eine axiale Ausnehmung 23 auf,
in die das Leitgitter 14 eingeschoben werden kann. Das
Absperrelement 21 ist an einem Lagerelement 22 axial
verschieblich geführt, welches
fest mit dem Verdichtergehäuse
verbunden ist. Das Leitgitter 14 ist im Bereich seiner
dem Absperrelement 21 abgewandten axialen Stirnseite ebenfalls
fest mit dem Verdichtergehäuse
gekoppelt. Durch die axiale Verschiebung des Absperrelementes 21 in
Pfeilrichtung 24 kann der wirksame Mündungsquerschnitt der Mündung von
Zusatzkanal 11 in den Verdichtereinlasskanal 18 veränderlich
eingestellt werden. Der Mündungsquerschnitt
kann durch eine entsprechende Verschiebung des Absperrelementes 21 vollkommen
abgeriegelt werden. Gegebenenfalls kommen aber auch alternative
Ausführungen
für die
Verstellbarkeit des Leitgitters in Betracht, beispielsweise am Leitgitter
gehaltene verstellbare Leitschaufeln.
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Das Sperrorgan 13 bildet
eine Drosselklappe und ist schwenkbar im Verdichtereinlasskanal 18 stromauf
des Verdichterrades 19 angeordnet und kann zwischen einer
den Verdichtereinlasskanal vollständig abriegelnden Sperrposition
und einer Öffnungsposition
stufenlos verstellt werden. Der Hauptzustrom von Verbrennungsluft
in Richtung Verdichterrad erfolgt über den Verdichtereinlasskanal 18 in Pfeilrichtung 25.
Die in Pfeilrichtung 26 über den Zusatzkanal 11 zuzuführende Verbrennungsluft
kann dagegen in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
durch Betätigung
des Hilfskompressors 12 unmittelbar auf das Verdichterrad
geleitet werden, wobei die Leitgittergeometrie des Leitgitters 14 für eine Verstärkung des
auf das Verdichterrad wirkenden Drehimpulses genutzt werden kann.
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Stromab des Verdichterrades 19 wird
die Verbrennungsluft zunächst
in einem Diffusor 20 gesammelt und im weiteren Verlauf
aus dem Verdichter abgeleitet und in den Ansaugtrakt stromab des
Verdichters geführt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 wird auf eine Drosselklappe im Ansaugtrakt
stromauf des Verdichters 5 verzichtet. Die Regelung bzw.
Einstellung der Brennkraftmaschine erfolgt in diesem Fall allein über eine
Betätigung
des verstellbaren Leitgitters 14 im Verdichter 5,
der variablen Turbinengeometrie 8 in der Abgasturbine 3 sowie
des Antriebes 28 für
den Hilfskompressor 12.
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Im Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 wird auf die Drosselklappe im Ansaugtrakt
verzichtet, darüber
hinaus ist das Leitgitter 14 als unveränderliche Festgeometrie ausgeführt. Die
Einstellung der Brennkraftmaschine erfolgt in dieser Ausführung alleine über eine
Verstellung der variablen Turbinengeometrie 8 sowie des
Hilfskompressors 12 bzw. des Antriebes 28 für den Hilfskompressor.
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In 7 ist
ein Verdichterkennfeld mit verschiedenen Kennlinien für das Druckverhältnis Πv in Abhängigkeit
eines reduzierten Massenstromes ṁred dargestellt,
wobei das Druckverhältnis ΠV das
Verhältnis
des Ladedrucks, unmittelbar stromab des Verdichters zum Atmosphärendruck
stromauf des Verdichters darstellt und der reduzierte Massenstrom ṁred einen Referenzdruck sowie eine Referenztemperatur
unter Normalbedingungen berücksichtigt. Eingetragen
sind die Wirkungsgrade des Verdichters, angegeben in Prozentzahlen,
dargestellt mit ihren Isolinien in dem Verdichterkennfeld. Das Verdichterkennfeld
ist in Richtung kleiner Massenströme von einer unteren Pumpgrenze 29 begrenzt,
welche im laufenden Betrieb des Verdich ters zur Vermeidung eines unerwünschten
Pumpbetriebs des Verdichters nicht unterschritten werden soll.
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Die mit Bezugszeichen 30 gekennzeichnete Linie
ist für
eine konstante Verdichterdrehzahl eingetragen, beispielsweise für eine Drehzahl
von 160.000 1/min, wobei eine Bewegung entlang der Linie 30 ausgehend
von hohen Massenströmen
in Richtung niedrige Massenströme
durch ein Schließen
des variablen Leitgitters im Verdichter erzielt wird. Gleichzeitig
mit der Abnahme des Massenstromes steigt der Druck vor dem Leitgitter
an.
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Mit den gestrichelten Linien 31 und 32 wird ein
Bereich innerhalb des Verdichterkennfeldes begrenzt, in welchem
sich der Verdichter in Abhängigkeit
von der Antriebsleistung des Hilfskompressors bewegt. Diese obere
und untere Grenze kann in Abhängigkeit
von der Bauart und des Antriebes des Hilfskompressors auch jeweils
verschoben werden, wodurch sich insbesondere auch ein größerer Arbeitsbereich
des Verdichters einstellen kann.