DE19647959C1 - Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit ei­ nem Abgasturbolader, der einen Verdichter zur Aufla­ dung von zugeführter Frischluft und eine im Abgasstrom angeordnete Abgasturbine aufweist.

Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist z. B. aus der DE 34 19 077 A1 bekannt.

Aus der DE 30 31 059 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Ölretarder für Bremsbetrieb bekannt. Derar­ tige Ölretarder benötigen zur Aufnahme der im Bremsbe­ trieb anfallenden Wärme rückkühlende Wärmetauscher und sind damit relativ aufwendig.

Aus der DE 196 00 910 A1 ist ein Verfahren zur Spei­ cherung und Rückgewinnung von Bremsenergie bei Kraft­ fahrzeugen bekannt, wobei ein Luftverdichter die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft verdichtet. Der Luftverdichter, der nach dem Verdrängerprinzip ar­ beitet, wird im Schubbetrieb des Fahrzeuges so umge­ schaltet, daß die verdichtete Luft einem Luftspeicher zugeführt wird. Im späteren Ladebetrieb kann die in dem Luftspeicher gespeicherte Luft dann wieder dem Luftverdichter zugeführt werden. Der Wirkungsgrad der Anlage ist jedoch beschränkt. Darüber hinaus arbeitet der Verdichter nach dem Verdrängerprinzip und dessen Zweck ist es, einen möglichst hohen Verdichtungsdruck zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art be­ züglich ihres Wirkungsgrades zu verbessern, insbeson­ dere bezüglich ihrer Aufladung und einer guten Motor­ bremsleistung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale ge­ löst.

Durch die strömungsmäßige Verbindung des Luftretarders mit dem Verdichter ergibt sich die Möglichkeit Elemen­ te des Luftretarders für die Aufladung des Motores im normal befeuerten Betrieb neben seiner eigentlichen Funktion als Bremse im Bremsbetrieb zu nutzen. Durch diese Zuschaltung des Luftretarders wird als einer der Hauptvorteile praktisch ein mehrstufiger Strömungsver­ dichter zur Aufladung der der Brennkraftmaschine zuge­ führten Frischluft geschaffen. Dabei kann der Luft­ durchsatz durch den Luftretarder sogar in der Größen­ ordnung des Motordurchsatzes im Nennbetrieb liegen, wobei das obere Druckverhältnis bezüglich Eingangs­ druck und Ausgangsdruck in seinem Auslegungspunkt ei­ nen Wert von 10 deutlich überschreiten kann. Über die Energietransportdichte der abzuführenden Bremsenergie verbleibt es dabei trotzdem bei vertretbaren Abmessun­ gen. Die erfindungsgemäße Zuschaltung des Luftretar­ ders für die Aufladung der Frischluft ist insbesondere für hoch aufgeladene Motoren mit Ladedrücken von über 4 bar aufgrund der damit erreichbaren stufenartigen Verdichtung interessant.

Darüber hinaus kann der Luftretarder auch im Bedarfs­ falle nur für den Zeitraum des Hochlaufs der Brenn­ kraftmaschine bzw. in instationären Motorphasen für die Aufladung voll genutzt werden, wonach er anschlie­ ßend kontinuierlich während dem Ladedruckaufbau des Verdichters zurückgenommen werden kann. Mit einer ent­ sprechenden Steuerung von Regelgliedern läßt sich ein kontinuierlicher Übergang erreichen. Dies betrifft auch eine Umschaltung auf Bremsbetrieb.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Eine Brennkraftmaschine 1 ist mit einem Abgasturbola­ der versehen, der einen Verdichter 2 zur Aufladung von über eine Frischluftzuleitung 3 zugeführter Frischluft und einer im Abgasstrom angeordneten Abgasturbine 4 aufweist. Der Verdichter 2 ist über eine Zuleitung 5 mit der Brennkraftmaschine 1 und die Abgasturbine 4 über eine Auslaßleitung 6 mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Der Verdichter 2 wird in bekannter Weise von der Abgasturbine 4 aus angetrieben. Mit der Brenn­ kraftmaschine 1 steht über ein Getriebe 7 mit einer Kupplung ein Luftretarder 8 in Antriebsverbindung. Der Luftretarder 8 weist als erste Verdichterstufe eine Radialstufe 9 auf. Durch eine Radialstufe, die als Strömungsverdichter arbeitet, lassen sich relativ gro­ ße Luftmassen zur Erzeugung eines guten Bremswirkungs­ grades durchsetzen. Über eine Luftansaugungsleitung 10 wird dem Luftretarder 8 Luft zugeführt. Ausgangsseitig führt eine Luftleitung 11 zu einer zweiten Verdichter­ stufe 13 und von da aus weiter zu einer dritten Ver­ dichterstufe 14 des Luftretarders 8. Eine Druckluft­ leitung 12 zweigt von der Luftleitung 11 nach der Ra­ dialstufe 9 ab. Sie mündet stromabwärts von einem Rückschlagventil 15 in die Frischluftzuleitung 3. Auf diese Weise ist der Luftretarder 8 eingangsseitig mit dem Verdichter 2 verbunden.

Von der dritten Verdichterstufe 14 des Luftretarders 8 aus führt eine Luftableitung 16 zu einem Regelventil 17. Das Regelventil 17 wird von einer Regeleinrichtung 18, die zur Regelung für einen Aufladungs- und/oder Bremsbetrieb vorgesehen ist, betätigt. In geöffneter Stellung des Regelventiles 17 kann Luft über eine Luftauslaßleitung 19 in die Umgebung austreten. Von der Luftableitung 16 zweigt in dem Bereich zwischen der dritten Verdichterstufe 14 und dem Regelventil 17 eine Zweigleitung 20 ab, die zur Eingangsseite der Ab­ gasturbine 4 führt.

In der Druckluftleitung 12 befindet sich ein weiteres Regelventil 21, das ebenfalls von der Regeleinrichtung 18 aus über eine Steuerleitung 25 angesteuert wird. In die Regeleinrichtung 18 werden in bekannter Weise Mo­ torzustandsgrößen über eine Steuerleitung 22 eingege­ ben. Ebenso führt von der Regeleinrichtung 18 aus eine Steuerleitung 23 zu dem Getriebe 7.

Zwischen der Radialstufe 9 und der zweiten Verdichter­ stufe 13 des Luftretarders 8 ist eine Kupplung 24 an­ geordnet.

Zur Nutzung des Luftretarders 8 für Aufladezwecke im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 wird die Ra­ dialstufe 9 von den restlichen Stufen des Luftretar­ ders 8 über die Kupplung 24 abgetrennt. Das in der Druckluftleitung 12 angeordnete Regelventil 21 wird von der Regeleinrichtung 18 aus über die mit dieser verbundenen Steuerleitung 25 geöffnet und die kompri­ mierte Luft der ersten Stufe des Luftretarders 8 wird dem Verdichter 2 des Abgasturboladers eingangsseitig zugeführt. Damit wirkt der Verdichter 2 praktisch als zweite Verdichterstufe 13. Das Rückschlagventil 15 in der Frischluftzuleitung 3 wird automatisch durch den größeren Druck in der Druckluftleitung 12 gegenüber dem Umgebungsdruck geschlossen. Das in der Luftablei­ tung 16 angeordnete Regelventil 17 ist zu diesem Zeit­ punkt üblicherweise geschlossen.

Über die Regeleinrichtung 18 kann der Luftretarder 8 auch so gesteuert werden, daß er nur für bestimmte Mo­ torphasen, z. B. für einen instationären Motorbetrieb für Aufladezwecke voll genutzt wird. Während eines La­ dedruckaufbaues von dem Verdichter 2 kann dann z. B. über ein Schließen des Regelventiles 21 die Aufladung über den Luftretarder 8 zurückgenommen werden. Durch eine Betätigung des Regelventiles 17 kann der Über­ gangsbereich des Schließvorganges von Regelventil 21 für die Radialstufe 9 des Luftretarders 8 auf diese Weise dann ohne Verdichterpumpprobleme durchfahren werden, bevor der Luftretarder 8 von der Brennkraftma­ schine 1 wieder abgekoppelt wird.

Auflade- und Bremsbetrieb werden durch die Regelein­ richtung 18 kontrolliert und geregelt. In Abhängigkeit von momentanen Motorzustandsgrößen, wie z. B. Motor­ drehzahl, Last, Ladedruck und dergleichen, werden die Regelventile 17 und 21 durch hinterlegte elektronische Kennfelder in ihre Position bzw. Strömungsfläche auf die Sollwerte eingeregelt.

Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine 1 sind alle oder nur Einzelstufen des Luftretarders 8 nach der An­ kopplung an die Brennkraftmaschine 1 in Betrieb. Das Regelventil 17 könnte bei genügend vorhandenem Lade­ druck auch geschlossen werden und auch geschlossen bleiben. Die durch die Bremswirkung des Luftretarders 8 stark gewärmte Luft kann teilweise auch der Ab­ gasturbine 4 über die Zweigleitung 20 zur Leistungser­ höhung und damit zur Luftförderungserhöhung des Ver­ dichters 2 zugeführt werden. Je nach Stellung des Re­ gelventiles 17 strömt dabei die Luft über die Luftaus­ laßleitung 19 in die Umgebung.

Zur Verminderung einer Rückwirkung auf Auslaßventile der Brennkraftmaschine durch eine zusätzliche Turbi­ nenbeaufschlagung über die Zweigleitung 20 kann man die Expansionsengstelle der Luftretarderluft in vor­ teilhafter Weise direkt im Radeintrittsbereich der Ab­ gasturbine 4 zur wirkungsgradgünstigen Eintrittsdral­ lerzeugung ansiedeln. Bei einfacheren Systemen ist auch eine Luftzuführung vor dem Turbinenflansch in ei­ nem Sammelraum denkbar.

Der Aufladegrad der Brennkraftmaschine 1 läßt sich durch das vorstehend beschriebene Verfahren je nach gewünschter Motorbremslinie stark anheben und zwar oh­ ne daß die Temperaturbelastung im Austrittstrakt der Brennkraftmaschine 1 bzw. in einem Motorzylinder über vorgegebene Grenzwerte anwächst. Der Grund dafür liegt darin, daß die Brennkraftmaschine 1 mit einem sehr ho­ hen Luftdurchsatz betrieben wird, wodurch auch im Bremsbetrieb keine unzulässig hohen Temperaturen er­ reicht werden.

Die Motorbremslinie kann durch vielfältige Parameter im Niveau und im Verlauf über der Motordrehzahl von motorseitigen Einrichtungen, wie z. B. einem Drossel­ ventil im Zylinderkopf, dem Abgasturbolader, der mit Turbo-Brems-Elementen versehen ist, und insbesondere auch durch das beschriebene Verfahren mit dem Luftre­ tarder 8 geformt bzw. in vorteilhafter Weise derart beeinflußt werden, daß die Bremsenergie nach dem Aus­ tritt aus dem Luftretarder 8 über die Abgasturbine 4 nochmals nützlich verwertet wird. Als Turbo-Brems- Elemente können variable Axialschieber mit Bremsring, variable Leitgitter oder dergleichen verwendet werden.

Claims (6)

1. Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der einen Verdichter zur Aufladung von zugeführter Frischluft und eine im Abgasstrom angeordnete Ab­ gasturbine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Luftretarder (8) für Bremsbetrieb, der mit ei­ ner Luftableitung (16) verbunden ist, über eine Druckluftleitung (12) mit der Eingangsseite des Verdichters (2) verbindbar ist, wobei zur Steue­ rung des Luftretarders (8), für Motorbremsbetrieb oder für einen Aufladebetrieb über eine Regelein­ richtung (18) der Luftdurchsatz durch die Luftableitung (16) oder über die Druckluftleitung (12) regelbar ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftretarder (8) mehrstufig ausgebildet ist, wobei die erste Verdichterstufe (9) über die Druckluftleitung (12) mit dem Verdichter (2) ver­ bunden ist, und wobei über eine Kupplung (24) für einen Bremsbetrieb die weiteren Verdichterstufen (13, 14) zuschaltbar sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verdichterstufe (9) des Luftretarders (8) von der Brennkraftmaschine (1) über ein Ge­ triebe (7) mit einer Kupplung antreibbar ist.

4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftleitung (12) in eine zu dem Verdich­ ter (2) führende Frischluftzuleitung (3) mündet, wobei stromaufwärts von der Einmündungsstelle die Frischluftzuleitung (3) mit einem Rückschlagventil (15) versehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Luftableitung (16) eine Zweigleitung (20) abzweigt, in der die im Motorbremsbetrieb anfal­ lende Luft der Abgasturbine (4) zuführbar ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Luftableitung (16) und/oder der Druckluft­ leitung (12) Regelventile (17, 21) angeordnet sind, durch die die in dem Luftretarder (8) verdichtete Luft bezüglich ihrer Verteilung regelbar ist.