DE10317959A1

DE10317959A1 - Verfahren zum Betrieb eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge und Motor zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE10317959A1
Application number: DE10317959A
Authority: DE
Inventors: Oskar Schatz
Original assignee: Schatz Thermo Engineering GmbH
Current assignee: Schatz Thermo Engineering GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Beim Betrieb eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wird im Teillastbetrieb der Turbolader (28, 30) auf einer hohen Drehzahl gehalten und die Druckseite des Verdichters (28) mit seiner Saugseite über einen Bypass (44) kurzgeschlossen, während bei Vollastbetrieb der Bypass (44) geschlossen ist. Um auch beim Neustart des Motors im niedrigen Drehzahlbereich rasch ein hohes Drehmoment zur Verfügung zu stellen, wird durch Abblasen eines Teils der verdichteten Luft oder durch dynamische Aufladung der Motorbetriebspunkt schneller dem maximal zulässigen Druckverhältnis angenähert, als dies für den Betriebspunkt des Verdichters (28) technisch möglich ist.

Description

Die Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge und einen Motor zu seiner Durchführung.

Die Verdichterwirkung des Turboladers wird beim Vollastbetrieb benötigt, um die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen. Im Teillastbetrieb besteht hierfür kein Bedarf, weshalb bei diesen bekannten Motoren im Teillastbetrieb der Turbolader mit niedriger Drehzahl ohne Leistungsabgabe einen Leerlaufzustand einnimmt. Weil der Turboverdichter erst beim Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahlgrenze die erforderliche Verdichtungsarbeit leisten kann, hat dies zur Folge, daß bei einem plötzlich auftretendem Wunsch nach Einsatz der vollen Motorleistung, etwa zur Beschleunigung des Fahrzeugs bei einem Überholvorgang, der die Erhöhung der Motordrehzahl voraussetzt, der Turbolader erst auf seine Betriebsdrehzahl hochgefahren werden muß, bevor die volle Leistung des Motors, d.h. das maximale Drehmoment, zur Verfügung steht. Um diese als „Turboloch" bekannte, unerwünschte Verzögerung zu reduzieren, ist der Einsatz von als „Booster" bezeichneten, Energie verzehrenden Hilfsantrieben bekannt, die der Beschleunigung des Turboladers dienen. Dies verursacht nicht nur einen zusätzlichen Platzbedarf im Motorraum, sondern auch eine Kostensteigerung. Insbesondere sind elektrisch unterstützte Booster sehr aufwendig. Dies gilt sowohl für erforderliche Elektromotoren, als auch für die Bereitstellung der er erforderlichen elektrischen Energie, insbesondere wenn die Bordspannung von 12 Volt nicht ausreicht und Bordnetze von 40 Volt erforderlich sind.

Es besteht somit die Aufgabe, beim Übergang vom Leerlauf oder Teillastbetrieb bei niedrigen Drehzahlen zum Vollastbetrieb möglichst verzögerungsfrei die Wirkung des Turboladers nutzen zu können, ohne hierfür den Turbolader mit teuren Hilfsantrieben unterstützen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Teillastbetrieb der Turbolader auf einer hohen Drehzahl gehalten wird und die Druckseite des Verdichters mit seiner Saugseite über einen Bypass kurzgeschlossen ist , während bei Vollastbetrieb der Bypass geschlossen ist.

Solang der Verdichter kurzgeschlossen ist und keine Leistung abgibt, muß die Abgasturbine lediglich die Reibungsverluste überwinden. Es steht deshalb mit vergleichsweise geringem Energieaufwand beim Übergang zu Vollast die volle Verdichterleistung zur Verfügung, wobei durch die plötzliche Belastung die Drehzahl des Verdichters zwar kurzzeitig etwas absinken wird, mit dem Turboloch der bekannten Art ist dies jedoch nicht vergleichbar, zumal in der Regel die Möglichkeit besteht, den unbelasteten Verdichter noch unterhalb der zulässigen Dauerdrehzahl auf einer Drehzahl zu halten, die soweit oberhalb der bei Vollast zum Erreichen des maximalen Motordrehmoments erforderlichen Drehzahl liegt, daß durch das Absinken der Drehzahl des Turbosystems beim Übergang auf Vollastbetrieb die erforderliche Drehzahl nicht unterschritten wird.

Zum besseren Verständnis wird hier auf das in 1 gezeigte Diagramm Bezug genommen, das am praktischen Beispiel eines PKW-Dieselmotors einander überlagernd ein Verdichterkennfeld und die Motorschlucklinien zeigt. Der als Beispiel zugrundegelegte Motor ist auf eine Drehzahl von maximal 4500 min^–1 ausgelegt. Gemeinsame Basis beider Diagramme ist das Druckverhältnis (Ordinate) und der Volumenstrom (Abszisse). Aus der allgemeinen Betriebsgleichung für das Zusammenwirken ergibt sich, das der Volumenstrom von Verdichter und Motor gleich ist. Auch der Druck am Verdichterauslaß und am Brennkammereinlaß sind identisch. Auf der Ordinate ist das Druckverhältnis und das Dichteverhältnis aufgetragen. Das Motordrehmoment kann nur proportional zum Dichteverhältnis der Luft erhöht werden.

Anhand der Vollastbetriebslinie läßt sich ablesen, daß das maximale Drehmoment des Motors etwa bei einer Drehzahl des Verdichters von 145∙10³ min^–1 zur Verfügung steht. Die maximal zulässige Drehzahl ist 200∙10³ min^–1. Diese maximale Drehzahl sollte der Verdichter nicht erreichen. Zeitweilig ist n = 180∙10³ zulässig, im Dauerbetrieb soll sie bei n = 160∙10³ liegen.

Es kann also problemlos die Drehzahl des unbelasteten Turbosystems nahe 160 ∙10³ min^–1 gehalten werden, um trotz des Drehzahlabfalls beim Übergang auf Laderbetrieb die bei Vollast erforderliche Drehzahl von 145∙10³ min^–1 nicht zu unterschreiten. Dieser Drehzahl 145∙10³ min^–1 ist ein Luftvolumenstrom von etwa 0,04 m³/s zugeordnet.

Damit der Turbolader im unbelasteten Zustand die zulässige Drehzahl nicht überschreitet, wird diese vorzugsweise durch einen Drehzahlbegrenzer überwacht.

Die vorstehend für den Übergang von Teillast- auf Vollastbetrieb beschriebene Wirkungsweise setzt voraus, daß der Verdichter bereits eine hohe Drehzahl erreicht hat. Will man nach dem Start des Motors aus dem Leerlauf heraus zügig beschleunigen, was ebenfalls den Zugriff auf das maximale Motordrehmoment erfordert, ist der Turbolader noch nicht hochgefahren, es kann also zunächst nicht auf die volle Wirkung des Turboladers zugegriffen werden. Die Leerlaufdrehzahl des Motors ist beim gewählten Beispiel 1000 min^–1, das Druckverhältnis 1,0, was einem Volumenstrom 0,0125 m³/s entspricht. Dieser Betriebspunkt ist mit L bezeichnet. Die Verdichterdrehzahl ist zwar als etwa 45∙10³ abzulesen. Sie ergibt sich aber erst dann, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge der beim Druckverhältnis 1,0 zur Verfügung stehenden Luftmasse entspricht. Im Leerlauf ist die eingespritzte Kraftstoffmenge jedoch um den Faktor 2,5 geringer, so daß die Drehzahl des Turbosystems im Leerlaufbetrieb bei einer Motordrehzahl von 1000 min^–1 wesentlich niedriger ist. Der Schnittpunkt LL der Vollastbetriebslinie mit der dem Druckverhältnis 1,0 zugeordneten Aszisse bezeichnet denjenigen, hier bei der Motordrehzahl 500 min^–1 und einem Volumenstrom von 0,006 m³/min liegenden Betriebspunkt, bei dem die Wirkung des Verdichters einsetzt.

Beim Beginn der Fahrt zeigt der Fahrer durch Betätigung des Fahrpedals seinen Wunsch nach voller Motorleistung an, die Kraftstoffzufuhr zum Motor steigt entsprechend an, das Drehmoment und die Abgasenergie nehmen zu, dadurch steigt die Drehzahl des Abgasturboladers, so daß im Betriebspunkt L die Drehzahl des Turboladers von etwa 45 ·10³ min^–1 erreicht wird und das Motordrehmoment ausreicht, das Fahrzeug in Bewegung zu setzen. Die Motordrehzahl nimmt zu, dem Motor wird mehr Luft zugeführt, die Abgasenergie und die Drehzahl des Turboladers steigen weiter, der Verdichter beginnt, das Druckverhältnis zu erhöhen, der Betriebspunkt erreicht im Punkt 2 die Vollastbetriebslinie und das Drehmoment in Bezug auf die Drehzahl des Motors wird durch den Kraftstoffregler entlang der Vollastbetriebslinie geregelt, bis schließlich bei der Motordrehzahl von etwa 2000 min^–1, einem Volumenstrom von etwa 0,04 m³/s und dem Druckverhältnis von 1,82 der Betriebspunkt 1 erreicht wird, an dem das maximale Drehmoment zur Verfügung steht, wobei die Drehzahl des Turboladers inzwischen auf etwa 150·10³ min^–1 gestiegen ist. Es verstreicht also eine spürbare Zeitspanne, bis der Betriebspunkt 1 erreicht wird und das maximale Drehmoment zur Verfügung steht, weshalb es wünschenswert ist, die Erfindung derart auszugestalten, daß schon bei einer möglichst geringen Steigerung der Motordrehzahl über die Leerlaufdrehzahl hinaus das maximale Drehmoment des Motors erreicht werden kann.

Dem Druckverhältnis 1,82 entspricht bei der Drehzahl 1000 min^–1 des Motors der Betriebspunkt M. Um auch beim Beschleunigungsvorgang aus dem Leerlauf sofort das maximale Drehmoment zur Verfügung zu haben, müßte der Motor den Betriebspunkt M erreichen können, wozu aber die Pumpgrenze des Verdichters überschritten werden müßte. Somit liegt M außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs des Verdichters und scheint also nicht erreichbar zu sein, denn es entspricht der herrschenden Ansicht, daß der Verdichter nicht bei einem Betriebspunkt betrieben werden kann, der außerhalb des durch die Vollastbetriebslinie begrenzten Bereichs liegt.

Es ist aber beispielsweise bei aufgeladenen Schiffsdieselmotoren im stationären Betrieb bekannt, den angestrebten Motorbetriebspunkt M ausgehend vom flachen Scheitelbereich der Vollastbetriebslinie, in dem annähernd das maximale Drehmoment zur Verfügung steht, dadurch zu erreichen, daß durch Abblasen verdichteter Luft unter Beibehaltung der hohen Laderdrehzahl von 15∙010³ der vom Motor aufgenommene Volumenstrom von 0,04 auf etwa 0,02 halbiert wird, wodurch sich unter Beibehaltung des Druckverhältnisses 1,82 der Motorbetriebspunkt nach M verschiebt, während der Betriebspunkt des Verdichters bei 1 bleibt. Es wird somit im Dauerbetrieb ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl abgegeben, wobei der höhere Energieaufwand für den Verdichter in Kauf genommen wird.

Durch Übertragung dieser für den stationären Betrieb aufgeladener Motoren bekannten Maßnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren mit Anwendung auf die transiente Betriebsweise während der Beschleunigung aus dem Leerlauf, läßt sich das geschilderte Problem lösen. Es stellt demgemäß eine vorteilhafte Ausgestaltung dar, daß bei Beschleunigung aus dem Leerlauf die Saugleitung und der Bypass geschlossen sind, die Druckseite des Verdichters mit der Einlaßleitung der Brennkammer verbunden ist, und bei maximaler Steigerung des Volumenstroms bis zur Erreichung des vorgegebenen maximalen Druckverhältnisses die Motordrehzahl durch geregeltes Abblasen eines Teils der verdichteten Luft möglichst nahe an der Leerlaufdrehzahl gehalten wird, wobei der abgeblasene Teil der verdichteten Luft der Saugseite des Verdichters zugeführt wird und dadurch im Verdichter zirkuliert, oder in den der Turbine des Abgasturboladers zuströmenden Abgasstrom eingeleitet wird.

Im theoretischen Idealfall wird durch diese Verfahrensweise sehr rasch und ohne Steigerung der Motordrehzahl der Motorbetriebspunkt M und damit das maximale Drehmoment erreicht. Allerdings ist im Punkt M die für das Turbosystem erforderliche Antriebsleistung dabei doppelt so hoch, als sie zur Erzeugung der vom Motor benötigten und abnehmbaren Luftmasse erforderlich wäre, weil die Hälfte der Luftmasse zwischen Verdichter und Motor abgeblasen wird. Der Wirkungsgrad des Verdichters beim Abblasen sinkt von dem einem Volumenstrom 0,04 entsprechenden Betriebspunkt 1 auf der Vollastbetriebslinie zum Betriebspunkt M von ηisV = 0.7 auf die Hälfte, also auf ηisV = 0,35. Beim Abblasen ist der Luftmassenstrom am Brennkammereinlaß des Motors gegenüber dem Luftmassenstrom am Verdichterauslaß halbiert, während das Druckverhältnis identisch ist. Da es sich bei der Betriebssituation, die der hier vorgeschlagenen Anwendung zugrunde liegt, im Gegensatz zum Stand der Technik um einen transienten und damit zeitlich begrenzten Betriebszustand handelt, ist der kurzzeitig auftretende höhere Energieaufwand und somit der höhere Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit der erzielbaren Boosterwirkung tolerierbar.

Der geschilderte Idealfall erleichtert das Verständnis des Vorgangs. Inwieweit im praktischen Betrieb der Verfahrensablauf davon abweicht, wird in der Beschreibung des entsprechenden Ausführungsbeispiels noch erwähnt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dient dem Zweck, die Wirtschaftlichkeit der Verfahrensweise gegenüber diesem Abblasverfahren wesentlich zu verbessern. Sie besteht darin, daß bei der Beschleunigung aus dem Leerlauf die Saugleitung und der Bypass geschlossen sind, die Druckseite des Verdichters mit der Einlaßleitung der Brennkammer verbunden ist, und ein in der Einlaßleitung dem Brennkammereinlaßventil vorgeschaltetes Lufttaktventil, beispielsweise durch verspätetes Einlaßöffnen, einen Impulsladeeffekt erzeugt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung wird die vom Verdichter der Einlaßleitung der Brennkammer zuströmende Luft über einen Ladeluftkühler geführt und bei Saugbetrieb die mit dem Bypass verbundene Druckseite des Verdichters stromauf vom Ladeluftkühler von der Einlaßleitung getrennt.

Bei Abblasbetrieb wird der abgeblasene Teil der verdichteten Luft vor dem Ladeluftkühler abgeleitet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung findet in dem der Turbine zugeleiteten Abgasstrom nach Aufnahme des abgeblasenen Teils der verdichteten Luft eine Nachverbrennung statt, wodurch die Antriebsenergie des Abgasturboladers erhöht werden kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein mit einem Abgasturbolader ausgestatteter Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge, derart ausgebildet, daß die Einlaßleitung zur Brennkammer bzw. den Brennkammern des Motors in Abhängigkeit von der Betriebssituation wahlweise mit einer Saugleitung oder einer an die Druckseite des Verdichters des Abgasturboladers angeschlossenen Druckleitung verbindbar ist, daß Druckseite und Saugseite des Verdichters durch einen absperrbaren Bypass verbunden sind, und daß eine Steuerung geeignet ist, das Sperrorgan im Bypass zugleich mit der Verbindung zwischen Saugleitung und Einlaßleitung zu öffnen und dieses Sperrorgan zu schließen, wenn die Verbindung zwischen Saugleitung und Einlaßleitung geschlossen und die Verbindung zwischen Druckleitung und Einlaßleitung geöffnet ist.

Vorzugsweise enthalten die Druckleitung stromab von der Abzweigung des Bypass und die Saugleitung jeweils ein Absperrorgan, wobei diese Absperrorgane derart voneinander abhängig sind, daß jeweils eines geöffnet und das andere geschlossen ist.

Durch diese Konstruktion kann der Motor sowohl im Saugbetrieb mit Leerlauf des Turboladers mit hoher Laderdrehzahl, als auch mit konventioneller Turboaufladung betrieben werden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist er mit einer wahlweise zuschaltbaren Abgasrückführung in die Einlaßleitung versehen.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform weist die Abgasleitung einen über die Turbine des Abgasturboladers führenden Zweig und einen die Turbine umgehenden Zweig auf, der mit einem Organ zur Durchflußsteuerung versehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß in der Druckleitung zwischen dem Absperrorgan und der Einmündung der Druckleitung in die Einlaßleitung ein Ladeluftkühler angeordnet ist.

Der Motor eignet sich auch zur Späteinspritzung oder Nacheinspritzung.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß an die Druckleitung stromauf von Absperrorgan eine Abblasleitung mit einer in Abhängigkeit vom Betriebszustand einstellbaren Durchflußsteuerung angeschlossen ist, um beim Übergang zum Vollastbetrieb möglichst rasch den optimalen Betriebspunkt von Motor und Verdichter und damit ohne besondere Zusatzaggregate eine Boosterwirkung zu erreichen. Dabei mündet vorzugsweise die Abblasleitung stromauf von der Turbine in die Abgasleitung ein. Diese Ausführungsform kann auch mit Nachverbrennung betrieben werden. Nacheinspritzung und Nachverbrennung sind Maßnahmen, durch die eine weitere Verbesserung im Sinne der gestellten Aufgabe erreicht werden kann.

Noch eine andere, sehr vorteilhafte Verbesserung wird nach einer anderen Variante der Erfindung dadurch erreicht, daß in der Einlaßleitung vor dem Einlaßventil der Brennkammer ein in Abhängigkeit vom Betriebszustand betätigbares Lufttaktventil angeordnet ist. Dadurch wird die Boosterwirkung durch Impulsaufladung mit einem besonders vorteilhaften, relativ geringen Energieaufwand realisierbar. Außerdem eignet sich diese Motorbauart auch zu den Betriebsvarianten Kälteladung und Wärmeladung, worauf in der folgenden Beschreibung noch näher eingegangen wird.

Wenn nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dem Einlaß der Turbine ein Nachbrenner vorgeschaltet ist, besteht bei der Motorvariante mit Abblasleitung eine bevorzugte Ausführungsform darin, daß die Abblasleitung stromauf vom Nachbrenner in die Abgasleitung einmündet.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein Diagramm, in dem sich ein Verdichterkennfeld und die Motorschlucklinien eines praktisch ausgeführten PKW-Dieselmotors überlagern,
2 die schematische Darstellung eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Verbrennungsmotors mit Abgasturbine,
3 eine der 2 ähnliche Darstellung einer ersten Variante dieses Motors mit einer Abblasleitung und
4 eine andere Variante mit Lufttaktventilen.
Die 2 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader, der sich zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in seiner einfachsten Ausführungsform eignet, während in den 3 und 4 zusätzliche Elemente zu finden sind, die dieses Verfahren vorteilhaft ausgestalten. Einander entsprechende Elemente sind in den 2 bis 4 mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Mit 10 ist eine von einem nicht gezeigten Luftfilter kommende Ansaugleitung für die Ladeluft eines Verbrennungsmotors bezeichnet, der symbolisch durch drei Brennkammern 12 dargestellt ist. Jede der Brennkammern besitzt zwei Einlaßventile 14 und 16 und zwei Auslaßventile 18 und 20, die in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel über nicht gezeigte Nockenwellen gesteuert werden.
An einer Verzweigungsstelle 22 teilt sich die Ansaugleitung 10 in einen ersten Strömungsweg 24 und einen zweiten Strömungsweg 26 auf, wobei der letztere über einen Verdichter 28 führt, der durch eine Abgasturbine 30 antreibbar ist und mit dieser einen Abgasturbolader bildet. Der Strömungsweg 26 wird durch den Verdichter 28 in zwei Abschnitte 26a und 26b unterteilt, wobei der Abschnitt 26a zur Saugseite des Verdichters führt und der Abschnitt 26b sich an die Druckseite des Verdichters anschließt. Der Strömungsweg 24 und der Strömungsweg 26 münden bei 32 in eine Leitung 34, von der aus zu jeder Brennkammer 12 jeweils eine Einlaßleitung 36 führt, die sich vor den Ventilen 14 und 16 in zwei Zweige gabelt. Jeder Strömungsweg 24 und 26 ist mit einem regelbaren Sperrorgan 38 bzw. 40 versehen.
Die Druckseite des Verdichters 28 ist über einen ein regelbares Absperrorgan 42 enthaltenden Bypass 44 mit dem Leitungsabschnitt 26a und damit mit der Saugseite des Verdichters 28 verbunden. Der Bypass 44 ist zwischen dem druckseitigen Ausgang des Verdichters 28 und dem Sperrorgan 40 an den Leitungsabschnitt 26b angeschlossen. Auf das Sperrorgan 40 folgt in Richtung auf die Leitung 34 ein Ladeluftkühler 46.
Die Turbine 30 des Abgasturboladers kann durch einen Bypass 48 umgangen werden, der ein regelbares Absperrorgan 50 enthält.
Die Auslaßventile 18 und 20 stehen mit einer Abgasleitung 52 in Verbindung. Sofern eine Abgasrückführung erwünscht ist, ist nach einer vorteilhaften Variante bei allen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung die Abgasleitung 52 über einen ein regelbares Absperrorgan 54 und einen Wärmetauscher 56 enthaltenden Rückführkanal 58 mit der Leitung 34 verbindbar.
Im Vollastbetrieb sind die Sperrorgane 38 und 42 geschlossen, das Sperrorgan 40 ist geöffnet, so daß über die Leitung 34 und die Einlaßleitungen 36 die Brennkammern 12 mit verdichteter Brennluft versorgt werden.
Im Teillastbetrieb wird das Sperrorgan 42 geöffnet, so daß die Luft in dem aus einem Teil des Strömungswegs 26, dem in ihm befindlichen Verdichter 28 und dem Bypass 44 bestehenden Kreislauf zirkulieren kann und die Turbine 30 nur die in diesem Kreislauf auftretenden Reibungsverluste überwinden muß, um den Verdichter auf einer hohen Drehzahl, vorzugsweise nahe der Dauerbetriebsdrehzahl, zu halten. Am Verdichter herrscht dabei das Druckverhältnis 1,0. Während des Saughubs der Kolben in den Brennkammern 12 kann von diesen Luft aus dem Bereich des Verdichters 28 angesaugt werden, so daß der Strömungsweg 24 nicht zwingend erforderlich ist. Vorzugsweise wird für den Saugbetrieb jedoch der mit wenig Aufwand realisierbare Strömungsweg 24 vorgesehen, dessen Sperrorgan 38 im Teillastbereich geöffnet wird, während das Sperrorgan 40 dann geschlossen ist, um den direkten Strömungsweg vom Verdichter 28 zur Leitung 34 und weiter zu den Einlaßleitungen 36 zu unterbrechen und damit eindeutige Strömungsverhältnisse zu gewährleisten.
Wird der Motor im Teillastbereich betrieben, befindet sich der Motorbetriebspunkt entsprechend der gewählten Motordrehzahl im Diagramm der 1 auf der Abszisse. Der Verdichter läuft leer, d.h. ohne Leistungsabgabe, mit einer Drehzahl von z.B. etwa 160∙10³ min^–1.
Wird der Motorsteuerung angezeigt, daß Bedarf an der vollen Motorleistung besteht, wird das Sperrorgan 42 im Bypass 44 geschlossen und – wenn der Strömungsweg 24 vorgesehen ist – das darin angeordnete Sperrorgan 38 ebenfalls. Durch die plötzliche Belastung des Verdichters 28 wird dessen Drehzahl kurzzeitig etwas absinken. Weil aber zur Abgabe des maximale Motordrehmoments der Betriebspunkt 1 erreicht werden muß, der nur eine Verdichterdrehzahl von etwa 145∙10³ min^–1 erfordert, wird dieser Betriebspunkt ausgehend von der höheren Leerlaufdrehzahl des Verdichters nahezu verzögerungsfrei erreicht.
Wie bereits erläutert wurde, ist diese vorteilhafte Betriebsweise nur anwendbar, wenn aus einem zeitweiligen Teillastbetrieb auf Vollastbetrieb übergegangen wird und der Turbolader auf hoher Drehzahl gehalten werden kann. Nach dem Motorstart läuft der Turbolader aber zunächst mit sehr niedriger Drehzahl, weshalb eine vorteilhafte Ausgestaltung es ermöglichen soll, möglichst rasch das maximale Motordrehmoment zur Verfügung zu stellen. Ein erster Lösungsweg besteht darin, bis zum Erreichen des motorspezifisch vorgegebenen maximalen Druckverhältnisses – im Beispiel 1,82 – durch Abblasen eines Teils der verdichteten Luft die Motordrehzahl möglichst nahe an der Leerlaufdrehzahl zu halten und dadurch einen steileren Anstieg des Motorbetriebspunktes in den Bereich des maximalen Dichteverhältnisses zu ermöglichen, als es dem Betriebspunkt des Verdichters möglich ist, der die Vollastbetriebslinie nicht überschreiten darf. Der theoretische Vorgang stellt sich so dar, daß nach dem Erreichen des Betriebspunkts 2 der Volumenstrom über den Verdichter 28 weiter maximal gesteigert wird, so daß der Verdichterbetriebspunkt möglichst rasch beim Punkt 1 das maximale Druckverhältnis 1,8 erreicht, wozu er sich längs der Vollastbetriebslinie bewegt, während der Volumenstrom über die Brennkammern 12 durch Abblasen eines Teils der verdichteten Luft soweit reduziert wird, daß der Motorbetriebspunkt sich im Punkt 2 vom Verdichterbetriebspunkt trennt und längs der Drehzahllinie 1 000 zum Betriebspunkt M wandert, so daß nicht erst bei der Motordrehzahl 2 000 min^–1, sondern schon bei der Drehzahl 1 000 min^–1 das maximale Drehmoment zur Verfügung steht. In der Praxis wird der Motorbetriebspunkt nicht exakt den beiden Seiten 2-M und M-1 des Dreiecks 2-M-1 folgen, sondern sich längs einer stetigen, konvex gegen M ausgreifenden Bogenlinie von 2 nach 1 bewegen, wobei jedenfalls dadurch, daß der Motorbetriebspunkt die Vollastbetriebslinie überschreitet, vor dem Eintreffen des Verdichterbetriebspunkts im Punkt 1 ein spürbarer Drehmomentzugewinn durch das Abblasen erreicht wird.
Die Anordnung nach 2 eignet sich für eine erste Variante des Abblasens. Es kann nämlich der abzublasende Teil der den Verdichter 28 verlassenden, verdichteten Luft über den Bypass 44 wieder an den Eingang des Verdichters zurückgeführt werden, wobei der rückzuführende Volumenstrom durch das regelbare Sperrorgan 42 dimensioniert werden kann. Eine andere Variante ermöglicht die Konstruktion nach 3, die eine Verbindungsleitung 59 mit einem regelbaren Sperrorgan 60 zwischen dem druckseitigen Ausgang des Verdichters 28 und der Abgasleitung 52 aufweist, wobei die Abgasleitung 52 vor der Abgasturbine 30 über einen Nachbrenner 62 geführt ist, der es ermöglicht, bei Bedarf die Energiezufuhr zur Turbine 30 zu erhöhen. Die Verbindungsleitung 59 mündet gegebenenfalls vor dem Eingang zum Nachbrenner 62 in die Abgasleitung 52. Der Bypass 44 wird auch bei dieser Konstruktion benötigt, um den Turbolader 28, 30 bei Teillast mit hoher Drehzahl im Leerlauf zu betreiben.
Um den bereits erläuterten, durch das Abblasen bewirkten Energieverlust zu vermeiden, ist die Konstruktion nach 4 in den Einlaßleitungen 36 mit Lufttaktventilen 64 versehen, die abhängig vom Betriebszustand elektronisch steuerbar sind.
Auch bei dieser Variante findet in der Startphase des Fahrzeugs – wie schon beim Abblasverfahren beschrieben – eine Trennung der gemeinsame Betriebspunkte von Verdichter und Motor statt, indem der Motorbetriebspunkt über die Vollastbetriebslinie angehoben wird, während der Verdichterbetriebspunkt längs der Vollastbetriebslinie bis zum Betriebspunkt 1 geführt wird. Während diese Trennung der Betriebspunkte beim Abblasen mit einem spürbaren Energieverlust behaftet ist, der aber in Kauf genommen wird, weil dadurch das maximale Drehmoment des Motors früher verfügbar wird, kann durch den Einsatz der Lufttaktventile 64 dieser Verlust vermieden werden. Während beim Abblasen der Volumenstrom durch den Verdichter 28 höher ist als der Volumenstrom durch die Brennkammer, ist der Druck am Verdichterausgang und in der Brennkammer gleich. Durch den Einsatz der Lufttaktventile 64 erfolgt eine dynamische Aufladung in der Brennkammer, so daß bei gleichem Volumenstrom der Druck in der Brennkammer höher ist, als der Druck, den der Verdichter 28 an seinem Ausgang bei dem jeweils herrschenden Volumenstrom liefern kann. Das vom Verdichter 28 verdichtete Luftvolumen gelangt vollständig in die Brennkammern, Verluste treten nicht auf.
Die Lufttaktventile 64 gestatten es außerdem, abgesehen von diesem Einsatz in der Startphase des Fahrzeugs, in Abhängigkeit vom jeweils herrschenden Betriebszustand steuernd in den Ladungswechsel einzugreifen, beispielsweise um Verbrauchs- und Emissionsverhalten des Motors günstig zu beeinflussen. Hierzu gehören die Kälte- und die Wärmeladung. Als Kälteladung wird es bezeichnet, wenn in Verbindung mit dem Lade luftkühler zur Reduzierung der Lufttemperatur in der Brennkammer während der ersten Hälfte der Einlaßphase über den gewünschten Verdichtungsgrad hinaus verdichtete und gekühlte Luft in die Brennkammer eingebracht wird, deren Temperatur dann nach dem frühen Einlaßschließen des Lufttaktventils durch die Expansion während der weiteren Kolbenbewegung auf den gewünschten Verdichtungsgrad zusätzlich abgesenkt wird. Diese Temperaturabsenkung bewirkt eine Verringerung von Temperatur und Druck bei Verdichtungsende in der Brennkammer, wodurch die NO_x-Bildung bei Otto- und Dieselmotoren und die Klopfneigung bei Ottomotoren reduziert werden kann. Bei einer als Wärmeladung bezeichneten Betriebsweise wird beim Kaltstart und in der Warmlaufphase in der Weise ein positiver Einfluß auf die Gemischbildung bei Otto- und Dieselmotoren ausgeübt, daß während eines ersten Abschnitts der Einlaßphase die Luftzufuhr zur Brennkammer durch das Lufttaktventil gesperrt ist, so daß der Druck in der Brennkammer zunächst stark absinkt. Wenn dann in einer zweiten Phase der Saugluft durch spätes Einlaßöffnen des Lufttaktventils der Zugang zur Brennkammer geöffnet wird, wird sie durch den herrschenden Unterdruck stark beschleunigt und anschließend abgebremst, was eine Temperaturerhöhung zur Folge hat.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbetrieb der Turbolader auf einer hohen Drehzahl gehalten wird und die Druckseite des Verdichters mit seiner Saugseite über einen Bypass kurzgeschlossen ist , während bei Vollastbetrieb der Bypass geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbetrieb die Drehzahl des Turboladers nahe dessen Dauerbetriebsdrehzahl gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Drehzahl des Turboladers durch einen Drehzahlbegrenzer überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Teillastbetrieb die Saugluft der Einlaßleitung zur Brennkammer über eine den Verdichter umgehende Saugleitung zugeführt wird, während die Verbindung zwischen dem Verdichter und dem ihn kurzschließenden Bypaß zur Einlaßleitung geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschleunigung aus einem niedrigen Motordrehzahlbereich die Saugleitung geschlossen ist, die Druckseite des Verdichters mit der Einlaßleitung der Brennkammer verbunden ist, und der Volumenstrom durch den Verdichter bis zur Erreichung des motorspezifisch vorgegebenen maximalen Druckverhältnisses der Brennluft maximal gesteigert wird, wobei dann, wenn der gemeinsame Betriebspunkt von Motor und Verdichter die Vollastbetriebslinie erreicht, durch geregeltes Abblasen eines Teils der verdichteten Luft der Motorbetriebs-punkt die Vollastbetriebslinie überschreitet, während der Verdichterbetriebspunkt entlang der Vollastbetriebslinie wandert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeblasene Teil der Luft der Saugseite des Verdichters zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeblasene Teil der verdichteten Luft in den der Turbine des Abgasturboladers zuströmenden Abgasstrom eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beschleunigung aus dem Leerlauf die Saugleitung und der Bypass geschlossen sind, die Druckseite des Verdichters mit der Einlaßleitung der Brennkammer verbunden ist, und ein in der Einlaßleitung dem Brennkammereinlaßventil vorgeschaltetes Lufttaktventil einen Impulsladeeffekt erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsladeeffekt durch verspätetes Einlaßöffnen des Lufttaktventils erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Verdichter der Einlaßleitung der Brennkammer zuströmende Luft über einen Ladeluftkühler geführt und bei Saugbetrieb die mit dem Bypass verbundene Druckseite des Verdichters stromauf vom Ladeluftkühler von der Einlaßleitung getrennt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeblasene Teil der verdichteten Luft vor dem Ladeluftkühler abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der Turbine zugeleiteten Abgasstrom nach Aufnahme des abgeblasenen Teils der verdichteten Luft eine Nachverbrennung stattfindet.
Mit einem Abgasturbolader ausgestatteter Verbrennungsmotors der Kolbenbauart, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitung (36) zur Brennkammer bzw. den Brennkammern (12) des Motors in Abhängigkeit von der Betriebssituation wahlweise mit einer Saugleitung (24) oder einer an die Druckseite des Verdichters (28) des Abgasturboladers (28, 30) angeschlossenen Druckleitung (26b) verbindbar ist, daß Druckseite und Saugseite des Verdichters (28) durch einen absperrbaren Bypass (44) verbunden sind, und daß eine Steuerung geeignet ist, das Sperrorgan (42) im Bypass (44) zugleich mit der Verbindung zwischen Saugleitung (24) und Einlaßleitung (36) zu öffnen und dieses Sperrorgan (42) zu schließen, wenn die Verbindung zwischen Saugleitung (24) und Einlaßleitung (36) geschlossen und die Verbindung zwischen Druckleitung (26) und Einlaßleitung (36) geöffnet ist.
Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (26) stromab von der Abzweigung des Bypass (44) und die Saugleitung (24) jeweils ein Absperrorgan (38, 42) enthalten, die derart voneinander abhängig sind, daß jeweils eines geöffnet und das andere geschlossen ist.
Motor nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer wahlweise auschaltbaren Abgasrückführung (58) in die Einlaßleitung (36) versehen ist.
Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (52) einen über die Turtbine (30) des Abgasturboladers (28, 30) führenden Zweig und einen die Turbine umgehenden Zweig (48) aufweist, der mit einem Organ (50) zur Durchflußsteuerung versehen ist.
Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (28b) zwischen dem Absperrorgan (40) und der Vereinigung (32) der Druckleitung (26b) mit dem ersten Strömungsweg (24) ein Ladeluftkühler (46) angeordnet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an die Druckleitung (26b) stromauf von Absperrorgan (40) eine Abblasleitung (59) mit einer in Abhängigkeit vom Betriebszustand einstellbaren Durchflußsteuerung (60) angeschlossen ist.
Motor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblasleitung (59) stromauf von der Turbine (30) in die Abgasleitung (52) einmündet.
Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einlaßleitung (30) vor dem Einlaßventil (14, 16) der Brennkammer (12) ein in Abhängigkeit vom Betriebszustand betätigbares Lufttaktventil (64) angeordnet ist.
Motor nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaß der Turbine (30) ein Nachbrenner (62) vorgeschaltet ist.
Motor nach den Ansprüchen 19 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abblasleitung (59) stromauf vom Nachbrenner (62) in die Abgasleitung (52) einmündet.